Brevet FR2514416A1 — publié le 19830415

La présente invention se rapporte aux turbocom- presseurs et plus particulièrement à une construction de carter pour la partie de turbine d'un turbocompresseur. Les turbocompresseurs sont des dispositifs éco- nomiseurs d'énergie pour des moteurs à combustion interne, en particulier des moteurs diesels pour camions, tracteurs et analogues Un turbocompresseur peut être considéré com- me une turbine et un compresseur combinés, les roues de la turbine et du compresseur étant accouplées ou reliées entre elles par un arbre commun Les gaz d'échappement provenant d'un moteur à combustion interne sont envoyés à la roue de turbine Les gaz traversent la roue de turbine, ce qui permet l'extraction d'énergie des gaz et provoque la rotation de ladite roue Les gaz sont ensuite envoyés à 1 ' échappement La roue du compresseur comprime l'airambiant et l'introduit dans la conduite d'admission du moteur Un turbocompresseur est, par conséquent, un dispositif pour refouler à une pression élevée gavage) de l'air ou un mé- lange combustible-air dans un moteur à combustion interne, le turbocompresseur utilisant l'énergie (pour faire tour- ner la roue de la turbine) contenue dans les gaz d'échap- pement autrement dissipés A la différence du compresseur bien connu qui prélève la force motrice nécessaire pour entraîner la roue du compresseur directement sur le vile- brequin, le turbocompresseur tire sa force motrice de 1 ' énergie contenu dans les gaz d'échappement. La présente invention se rapporte à un perfec- tionnement apporté au carter de la partie de turbine d' un turbocompresseur Dans certaines applications, on a trouvé commode de diviser la chambre torique ou en forme d'anneau formée à l'intérieur du carter de turbine en deux parties, ces deux parties étant délimitées par une cloison de séparation circulaire s'étendant radialement et par le reste du carter La cloison de séparation s' étend à partir d'une partie la plus extérieure du carter et, de là, radialement vers l'intérieur en direction de l'étranglement annulaire par lequel les gaz d'échappement s'écoulent jusqu'à la roue de turbine La turbine est ha- bituellement du type à écoulement radial centripète Des exemples d'une telle construction de carter sont représen- tés dans les brevets des EUA no 3 270 495, délivré le 6 Septembre 1966,au nom de Connor, et N O 3 292 364, délivré le 20 Décembre 1966 au nom de Cazier. Dans une construction de turbocompresseur du ty- pe à carter divisé typique, telle qu'illustrée dans ces deux brevets américains, le carter pour la partie de tur- bine du turbocompresseur ainsi que la cloison de sépara- tion s'étendant radialement sont formés en une seule piè- ce, par exemple en fonte de fer Pendant le fonctionnement du turbocompresseur, les gaz d'échappement chauds, arrivant dans le turbocompresseur en provenance des cylindres du mo- teur à combustion interne entrent dans l'une des deux - chambres formées dans la partie de turbine du carterr ou dans ces deux chambres Ces gaz sont très chauds et, par consé- quent, ils provoquent des changements dans les dimensions du carter, ces changements étant dûs à l'effet habituel de la dilatation thermique qui découle de l'accroissement de la température La cloison de séparation et le carter ont tous deux tendances à se dilater radialement lorsque la température s'élève Cependant, la cloison de séparation atteint les températures plus élevées que le carter du fait que cette cloison de séparation est exposée aux gaz chauds sur ses deux surfaces tandis qu'une surface de la paroi du carter est exposée à l'air ambiant plus froid. Du fait de cette différence de température, la dilatation thermique non contenue de la cloison de séparation serait plus grande que celle du carter dans la direction radiale. La moindre dilatation du carter contient la dilatation thermique de la cloison de séparation, induisant ainsi des contraintes thermiques indésirables dans la cloison de séparation En outre, la forme du carter de turbine di- visé est auto-contraignante en ce sens que des changements de température produisent des contraintes thermiques, mê- me en l'absence de gradients de température, accroissant S ainsi les niveaux de contrainte globaux On a trouvé que ces contraintes ont eu quelquefois pour effet une défail- lance ou une fissuration de la cloison de séparation avec une panne consécutive du turbocompresseur. Conformément à l'enseignement de la présente in- vention, le problème de la dilatation radiale différentiel- le est résolu Pour obtenir ce résultat, le turbocompres- seur et la cloison de séparation sont fabriqués séparément, dans un mode de réalisation, la périphérie radialement la plus extérieure de la cloison de séparation s'étendant dans une rainure formée dans la partie adjacente de la chambre du carter de la turbine Un jeu radial est prévu entre la partie radialement la plus extérieure de la cloi- son de séparation et la partie radialement la plus exté- rieum-de la rainure dans laquelle la périphérie de la cloi- son de séparation s'étend et est disposée Grâce à cette construction, la cloison de séparation peut se dilater ra- dialement, coulissant radialement vers l'extérieur à l'in- térieur de la rainure à sa périphérie la plus extérieure au cours du fonctionnement, et n'induit aucune contrainte dans le carter, un tel mouvement radial étant pratiquement non entravé Par conséquent, on évite qu'il se produise des contraintes induites thermiquement dans la cloison de séparation La périphérie radialement la plus extérieure de la cloison de séparation est, de préférence cannelée ou striée de façon à former des segments axialement déca- lés alternant angulairement, les segments étant sollicités normalement en éloignement les uns des autres dans une di- rection axiale de façon à produire ainsi une action de cen- trage ou de positionnement entre le carter et la cloison de séparation Pour faciliter le montage, le carter est fabriqué en deux parties, l'une des parties étant munie d'une encoche annulaire continue de sorte que, lorsque les deux parties sont jointes, il est formé une rainure annulaire continue De préférence, la cloison de sépara- tion est formée en une matière résistant à la chaleur, telle que de l'acier inoxydable, qui peut avoir un coef- ficient de dilatation thermique plus élevé que celui de la fonte de fer dans laquelle le reste du carter est formé. Selon une autre variante de l'invention, le ra- yon le plus extérieur de la plaque de séparation est égal au rayon le plus extérieur de la rainure du carter qui la reçoit, la plaque de séparation étant formée avec un joint de dilatation annulairement continu Dans cette seconde construction, la dilatation vers l'extérieur de la partie principale de la cloison de séparation circulaire est absorbée par le joint de dilatation, seule la dilatation de la partie de bord la plus extérieure de la cloison de séparation exerçant une force dirigée radialement vers l'extérieur contre le carter de la turbine. D'autres caractéristiques de l'invention appa- raitront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel: la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une partie de carter de turbine de turbocompresseur construite conformément à la présente invention, cette vue montrant également la position de la roue de turbi- ne habituelle et de la roue de compresseur associée au carter; la figure 2 est une vue de côté de la cloi- son de séparation de la figure 1; et la figure 3 est une vue partielle semblable à celle de la figure 1 et qui représente une variante. Sur le dessin auquel on se référera maintenant, la référence générale 10 désigne un carter pour la par- tie de turbine d'une turbocompresseur Le carter est an- nulairement continu et est formé par une première moitié ou demi-carter 12 qui comporte une série de pattes 14 an- gulairement espacées qui en font partie intégrante La référence 16 désigne un demi-carter ou moitié complémen- taire qui comporte également une série de pattes 18 angu- lairement espacées qui, lors de l'assemblage des moitiés, sont disposés en coïncidence avec les pattes 14 La réfé- rence 20 désigne une rainure annulairement continu dans laquelle s'adapte un joint d'étanchéité 22 annulairement continu formé, par exemple, en fil métallique La réfé- rence 24 désigne un rivet ou boulon servant à fixer en- tre elles les pattes complémentaires 14 et 18 On pour- rait utiliser d'autres moyens, tels qu'une soudure, pour joindreentre elles les moitiés (pièces 12 et 16) La ré- férence 28 désigne une entaille s'étendant radialement formée sur une face de la partie de rebord extérieure de la moitié du carter 12 tandis que la référence 29 dé- signe une partie de paroi circulaire s'étendant axiale- ment qui s'étend jusqu'à la face de la partie de rebord de la moitié de carter, à partir de l'entaille 28. La référence 30 désigne l'un quelconque des segments d'une série de segments s'étendant circonfé- rentiellement, axialement décalés, disposés à la péri- phérie d'une cloison de séparation circulaire en forme de disque, la cloison de séparation étant désignée par la référenoe 34 La cloison circulaire 34 est percéed'une ouverture centrale de façon à pouvoir recevoir la roue de turbine 46 La référence 33 désigne une espace ou in- tervalle libre s'étendant radialement entre la partie ra- dialement la plus extérieure de la paroi 34 (qui compor- te les segments 30) et la partie de paroi 29 s'étendant axialement. La référence 36 désigne une première chambre de turbine annulairement continue tandis que la référen- ce 38 désigne une seconde chambre de turbine annulaire- ment continue, ces deux chambres étant délimitées par la cloison de séparation 34 qui s'étend radialement vers l'intérieur dans le carter 12, 16 La référence désigne une partie radialement la plus intérieure de la moitié de carter 12 tandis que la référence 42 désigne une partie de carter radialement la plus in- térieure de la moitié de carter gauche 16 Un étran- glement 44 est défini comme la partie radialement la plus intérieure des chambres 36, 38 dans la région adjacente aux parties 40, 42 La référence 46 désigne une roue de turbine classique tournant autour d'un axe 47, la roue de 'turbine faisant tourner une roue de compresseur 48, la roue de turbine 46 et la roue de compresseur 48 étant toutes les deux montées sur un arbre commun 50 Le fonctionnement est le suivant. Des gaz d'échappement chauds sont intro- duits par des conduits appropriés, formés dans le tur- bocompresseur (non représenté), dans l'une des cham- bres annulaires 36 et 38 ou dans les deux Les gaz s'écoulent radialement vers l'intérieur par l'ouver- ture étranglée 44 et sur la périphérie de la roue de turbine 46 Il s'écoulent ensuite le long des pales et entre les pales de la roue de turbine et sortent ensuite dans une direction approximativement axiale pourêtre ensuite évacués La rotation de la roue de turbine 46 provoque la rotation de la roue de compres- seur 48 de façon ainsi à comprimer de l'air ambiant pour envoyer ultérieurement de l'air ou un mélange combustible-air au moteur à combustion interne Les parties restantes du compresseur, telle que les car- ter du compresseur, n'ont pas été représentées étant donné qu'elles n'entrent pas dans le cadre de la pré- sente invention et sont bien connues dans-cette techni- que. Au cours du fonctionnement, la cloison de sé- paration 34 se dilate radialement dans une mesure supé- rieure à la dilatation radiale des parties de carter 12 et 16 Grâce au jeu ou espace libre 33, la périphérie extérieure de la cloison de séparation peut se dépla- cer radialement vers l'extérieur sans être retenue de - façon ainsi à éviter les contraintes mécaniques qui au- trement se produiraient dans la cloison de séparation si sa périphérie extérieurin'était pas libre de se dé- placer radialement vers l'extérieur Une telle absence de liberté de mouvement radialement vers l'extérieur a été une caractéristique des constructions de carter de turbine à cloison de séparation antérieures et a con- duit, comme noté ci-dessus, à des défaillances dans la cloison. La fonction des segments alternés axialement opposés est triple En premier lieu, les segments per- mettent de meilleures tolérances de largeur de la rai- nure étant donné que leur largeur est plus facilement commandée que l'épaisseur de la tôle métallique de dé- part En second lieu, les segments n'offrent qu'un con- tact linéaire avec les pièces coulées de sorte que le frottement entre la cloison de séparation et les pièces coulées peut être commandé En troisièmelieu, la forme sinueuse des segments permet d'établir une charge axia- le préalable commandée aux fins du positionnement de la cloison de séparation, c'est-à-dire que les segments fonctionnent comme une rondelle ondulée élastique de sorte que la charge préalable, au montage, peut être réduite au minimum. Sur la figure 2, à laquelle on se référera maintenant, on a représenté une vue latérale qui mon- tre la configuration gaufrée ou ondulée de la périphé- rie la plus extérieure de la cloison de séparation cir- culaire 34 On voit que la périphérie 30 prend une con- figuration sinueuse ou ondulée. Dans un mode de réalisation spécifique de 1 ' invention, la cloison de séparation 34 est fabriquée en acier inoxydable austénitique AISI 321, les moitiés de carter 12 et 16 étant fabriquées en fonte nodulaire. Sur la figure 3 à laquelle on se référera main- tenant, on a représenté une variantede la cloison de sé- paration 34 Dans ce mode de réalisation, la périphérie extérieure de la cloison de séparation peut être égale- ment gaufrée ou autrement déformée pour tenir compte des différences de dilatation thermique Le lecteur observe- ra qu'il n'est besoin d'aucun jeu semblable au jeu 33 du mode de réalisation de la figure 1 Dans ce mode de réa- lisation, le mouvement radial de la majeure partie du dis- que 34 ', qui est semblable au disque 34, par rapport au carter est rendu possible par un joint de dilatation an- nulairement continu constitué par une rainure 60 formée dans le disque La rainure 60 est délimitée par des par- ties 62 et 64 s'étendant axialement et par une partie 66 s'étendant radialement Le lecteur comprendra que la rai- nure a une étendue circonférentielle ou annulaire conti- nue et est, de préférence, située au voisinage de la par- tie radialement la plus extérieure de la cloison de sépa- ration 34 La section d'expansion 60 peut être formée par estampage du disque qui définit la cloison de sépara- tion Le lecteur sera maintenant à même de concevoir fa- cilement que la dilatation radiale de la cloison de sépa- ration 34 ', telle que provoquée par les températures éle- levées, provoque une déformation du joint de dilatation Grâce au joint de dilatation 60, les forces radiales qui découlent de températures élevées provoquent une dé- formation du joint de dilatation 60 par opposition à 1 ' accumulation de contraintes indésirablement élevées dans la cloison de séparation 34 ' La dilatation des parties du disque situées radialement à l'intérieur du joint de dilatation est absorbée par le joint de dilatation La dilatation radiale de la partie du disque située radiale- ment au-delà du joint de dilatation engendre des contrain- tes dans cette partie mais ces contraintes, étant moins importantes, ne provoquent pas de défaillances Sur la fi- gure 3, le bord de la cloison de séparation 34 ' a été re- présenté espacé de la paroi 29 de la rainure, et plus épais que le reste du disque pour la clarté de l'illustra- tion. REVENDICATIONS 1 Une construction de turbocompresseur du ty- pe à carter de turbine divisé comprenant des première et seconde chambres de turbine annulaires ( 36,38) pour rece- voir des gaz chauds, lesdites chambres étant positionnées à l'intérieur d'un carter annulaire ( 12,16), une roue de turbine ( 46) positionnée radialement à l'intérieur des- dites chambres annulaires, la partie radialement la plus intérieure dudit carter comportant un étranglement annu- laire ( 44), la roue de turbine étant positionnée radiale- ment à l'intérieur de l'étranglement et recevant les gaz chauds s'écoulant radialement vers l'intérieur à travers l'étranglement de façcnainsi à faire tourner la roue de turbine, la roue de turbine étant accouplée à une roue de compresseur ( 48) qui en est axialement espacée, la roue de compresseur étant agencée pour comprimer l'air, les premièm Bet seconde chambres annulaires étant déli- mitées par une cloison de séparation ( 34,34 ') angulai- rement continue s'étendant à partir de la partie radia- lement la plus extérieure du carter en direction dudit étranglement, cette construction étant caractérisée en ce que: 1) La cloison de séparation ( 34,34 ') est sépara- ble du carter, la périphérie radialement la plus extérieu- re de la cloison de séparation étant reçue dans une rainu- re annulairement continue formée dans le carter; 2) des moyens ( 33,60) sont prévus pour permettre au moins à la plus grande partie de la cloison de sépara- tion d'être l'objet d'un mouvement radial par rapport au carter; si bien que la dilatation radiale de la cloison de séparation, provoquée par les températures élevées, peut s'effectuer pratiquement indépendamment des changements de dimensions du carter provoqués par de telles températures élevées. 2 Construction de turbocompresseur selon la re- vendication 1, caractérisée en ce que le carter est formé par deux moitiés de carter ( 12,16) annulairement continues, l'une ( 12) de ces moitiés de carter comportant au moins une partie ( 28,29) de la rainure annulairement continue. 3 Construction de turbocompresseur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les mo- yens permettant un mouvement radial sont constitués par un espace radial libre ( 33) formé entre la périphérie radialement la plus extérieure de la cloison de sépara- tion ( 34) et la périphérie ( 29) radialement la plus ex- térieure de la rainure. 4 Construction de turbocompresseur selon la re- vendication 3, caractérisée en ce que la périphérie radia- lement la plus extérieure de la cloison de séparation ( 34) est munie de segments ( 30) décalés axialement dans des di- rections opposées, les segments étant alternativement en contact avec les côtés axiaux opposés de la rainture. Construction de turbocompresseur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les mo- yens permettant un mouvement radial sont constitués par un joint de dilatation ( 60) angulairement continu formé en une seule pièce avec la cloison de séparation ( 34 ') et disposé radialement plus proche du carter que de la partie radialement la plus intérieure de la cloison de séparation. 6 Construction de turbocompresseur selon l'une des revendications 3 et 5, caractérisée en ce que les ma- tières dans lesquelles le carteret la cloison de sépara- tion sont construites ont des coefficients de dilatation thermique différents.