Brevet FR2520805A1 — publié le 19830805

Enveloppe de confinement pour une section de ventila- teur d'une turbine à gaz. La présente invention concerne une enveloppe circonférentielle destinée à contenir une aube de ven- tilateur lors d'une rupture de cette dernière. La présente invention concerne en particulier le confi- nement d'une aube de ventilateur défaillante faisant partie d'un assemblage de rotor de ventilateur au cours de la période pendant laquelle cette aube se situe dans le plan de l'assemblage de rotor de ventilateur. Les turboréacteurs à double flux ayant un taux de dilution élevé sont habituellement équipés d'un as- semblage de rotor de ventilateur dans leur partie avant. Cet assemblage de rotor comprend un disque de rotor et des aubes mobiles de ventilateur Ces aubes mobiles de ventilateur s'étendent vers l'extérieur à partir du dis- que en travers d'un parcours d'écoulement primaire pour les gaz du milieu de travail et d'un parcours d'écoule- ment secondaire pour ces gaz Ces aubes ont une courbu- re plus accentuée et sont beaucoup plus grandes que les aubes des turbines et des compresseurs à flux axial utilisés dans ces turboréacteurs. Les aubes mobiles sont entraînées à des vites- ses de rotation élevées autour d'un axe en vue de défi- nir le premier étage de compression des gaz du milieu de travail Les objets étrangers tels que des oiseaux, des grêlons ou autres, qui sont occasionnellement aspirés dans le turboréacteur conjointement avec les gaz du mi- lieu de travail, peuvent venir heurter une aube et l'en- dommager au point de provoquer sa rupture dans sa zone de fixation au disque de rotor Cette zone de fixation est appelée zone de talon Lors de cette rupture dans la zone de talon, une aube mobile peut être projetée vers l'extérieur à l'écart de l'assemblage de rotor à des vitesses de plusieurs dizaines de mètres par seconde. En raison de leurs dimensions, de leur courbu- re et de leurs vitesses de rotation, les aubes de ven- tilateur posent un problème de confinement différent de celui auquel on est confronté avec les aubes plus peti- tes des sections de compresseur et de turbine du turbo- réacteur Un dispositif permettant d'assurer ce confi- nement dans les plans de l'assemblage disque de rotor- aubes au cours d'une telle rupture, est illustré dans le brevet des EtatsUnis d'Amérique No 4 149 824 accordé au nom de Adamson et ayant pour titre "Blade Containment Device" Dans ce brevet, on décrit un anneau circons- crivant les aubes mobiles et pouvant effectuer une rota- tion par rapport à la structure support extérieure lorsqu'il est heurté par une aube mobile afin d'absorber l'énergie de rotation de cette dernière. Un autre dispositif est illustré dans le bre- vet des Etats-*Unis d'Amérique N O 4 197 052 accordé au nom de Lardellier et ayant pour titre "Safety Device for an Axially Rotatixlg Machine" Dans ce brevet, on décrit une enveloppe de confinement comportant un plan incliné hélicoïdal supporté par la paroi intérieure de l'enve- loppe en vue de dévier le fragment d'aube en dehors du plan de l'aubage. Les brevets précités illustrent deux méthodes différentes adoptées pour empêcher le fragment d'aube de pénétrer dans l'enveloppe de confinement au cours de la période pendant laquelle l'aube se situe dans le plan de l'assemblage disque de rotor-aubes En dépit du progrès que constituent ces deux méthodes, les hommes de science et les ingénieurs cherchent à mettre au point d'autres structures de confinement qui bloquent le pas- sage d'une aube mobile en cours de rupture à travers l'enveloppe du carter. La présente invention est basée sur une analyse de résultats expérimentaux obtenus en utilisant des tur- boréacteurs expérimentaux et une cinématographie à grande vitesse Cette analyse a révélé un modèle analytique dont la validité a été confirmée par une ex- périmentation complémentaire pour aboutir à la présente invention. Suivant la présente invention, le carter de ventilateur d'une turbine à gaz à flux axial comporte une enveloppe s'étendant -circonférentiellement autour d'une rangée d'aubes mobiles et dont l'épaisseur aug- mente dans le sens axial et vers l'arrière, cette enve- loppe ayant une épaisseur maximum à l'arrière d'un plan passant par le point situé à mi-corde de l'aube mobile afin de renforcer sélectivement le carter contre l'im- pact de fragments d'aube. Suivant une forme de réalisation, l'épaisseur maximum de l'enveloppe se situe dans une zone délimitée par un plan de référence passant par le point situé à mi-corde, ainsi que par un plan de référence s'éten- dant en aval du bord de fuite de la tête des aubes mo- biles à une distance égale à la longueur axiale de cet- te tête. Une caractéristique principale de la présente invention réside dans l'enveloppe de confinement de car- ter de ventilateur pour une turbine à gaz à flux axial. Cette enveloppe s'étend circonférentiellement autour d'une rangée d'aubes mobiles Chacune de ces aubes mo- biles comporte une tête ayant un bord d'attaque, un point situé à micorde et un bord de fuite L'enveloppe a une épaisseur radiale qui augmente vers l'arrière dans le sens axial jusqu'à un point d'épaisseur maximum situé en arrière d'un plan de référence perpendiculaire à l'axe de la turbine et passant par le point de mi-corde de la rangée d'aubes mobiles Dans une forme de réalisation; l'enveloppe a une épaisseur minimum en un point situé ra- dialement vers l'extérieur de la zone du bord d'attaque de l'aube mobile et une épaisseur maximum dans une zone s'étendant entre un plan passant par le point situé à mi-corde de l'aube mobile et un plan passant par le bord de fuite de cette dernière Dans une autre forme de réalisation, la tête de l'aube mobile a une longueur axiale L entre le bord d'attaque et le bord de fuite, mesurée dans un plan englobant l'axe de la turbine. L'enveloppe a une épaisseur maximum dans une zone s'éten- dant entre un plan de référence passant par le point si- 1 O tué à mi-corde des aubes et un plan de référence passant par un point qui est situé à une distance L en arrière du bord de fuite de l'aube mobile L'épaisseur de l'en- veloppe diminue dans le sens axial vers l'arrière dans une zone située en arrière du troisième plan Dans une forme de réalisation, l'épaisseur change par incréments vers l'arrière. Un avantage principal de la présente invention réside dans l'efficacité accrue qui résulte du fait que les fragments d'aubes mobiles sont confinés au cours de la rupture d'une de ces aubes dans la zone de talon de cette dernière à l'intervention d'un carter qui est plus léger que ceux ayant une épaisseur constante, en augmen- tant sélectivement l'épaisseur de l'enveloppe dans des zones choisies et en réduisant cette épaisseur dans d'au- tres zones Un autre avantage réside dans la facilité de la fabrication et de l'assemblage de l'enveloppe de confinement résultant du fait que cette dernière est réa- lisée d'une seule pièce avec le carter de ventilateur de la turbine. Les caractéristiques et avantages précités de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-après du meilleur mode de mise en oeuvre de l'invention, en se référant aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue en perspective d'un turboréacteur à double flux monté dans un fuseau- moteur, une partie de ce dernier et du turbo- réacteur étant élaguée afin de montrer une rangée d'au- bes mobiles de ventilateur et la structure de carter de ventilateur adjacente que renferme le turboréacteur; la figure 2 est une vue en coupe transversale de la structure de carter de ventilateur adjacente à l'aube mobile, ainsi qu'une vue en élévation latérale de cette aube mobile dont certaines parties sont éla- guées; la figure 3 est une vue schématique en coupe transversale d'une enveloppe destinée à assurer le con- finement d'une aube mobile; la figure 4 est une vue schématique en coupe transversale d'une autre forme de réalisation de l'enve- loppe de confinement illustrée en figure 3; la figure 5 est une vue schématique en coupe transversale d'une autre forme de réalisation encore de l'enveloppe de confinement illustrée en figure 3; la figure 6 est une représentation schématique d'une aube mobile lors d'une rupture de son talon et au moment o elle vient heurter initialement une bande de friction supportée par l'enveloppe de confinement; la figure 7 est une représentation schématique de l'aube mobile perçant la bande de friction et ve- nant heurter l'enveloppe de confinement; et la figure 8 est une représentation schématique de l'aube mobile heurtant l'enveloppe de confinement alors qu'elle est entraînée vers l'arrière par l'aube suivante en dehors du plan du rotor de ventilateur du turboréacteur à double flux. Une turbine à gaz 10 du type turboréacteur à flux axial est illustrée en figure l Un fuseau-moteur 12 circonscrit la turbine et est conçuà la fois pour sup- porter et localiser la turbine vis-à-vis d'une structu- re support telle qu'une aile d'aéronef (non représen- tée) La turbine est constituée d'une section de ven- tilateur 14, d'une section de compresseur 16, d'une section de combustion 18 et d'une section de turbine proprement dite 20 Un parcours d'écoulement primaire 22 pour les gaz du milieu de travail s'étend vers l'ar- rière à travers ces sections Un parcours diécoulement secondaire 24 pour les gaz du milieu de travail s'étend vers l'arrière en dehors du parcours d'écoulement pri- maire. La section de ventilateur 14 comprend un as- semblage de rotor 26 ayant un axe de rotation Ar, ainsi qu'un assemblage de stator 28 L'assemblage de stator comporte un carter de ventilateur 30 s'étendant axiale- ment, ainsi qu'une rangée d'aubes fixes telles que les aubes directrices 32 pour le flux de sortie du ventila- teur Le carter de ventilateur comporte un axe de sy- métrie As et forme une paroi intérieure du fuseau-moteur 12 Des éléments de service tels qu'une canalisation 34 pour de l'air d'antigivrage, ainsi qu'un démarreur (non représenté) pour la mise en marche de l'aéronef avec de l'air comprimé, sont disposés radialement en de- hors du carter de ventilateur. L'assemblage de rotor 26 comprend un disque de rotor 36 et plusieurs aubes mobiles 38 Chaque aube mobile comporte une zone de talon 40, une zone 42 si- tuée à mi-envergure et une zone de tête 44 Les aubes mobiles s'étendent vers l'extérieur depuis le disque jusqu'à proximité de l'assemblage de stator en passant en travers des parcours d'écoulement du milieu de tra- vail. La figure 2 est une vue en coupe transversale agrandie de l'assemblage de stator 28, cette vue mon- trant le carter de ventilateur 30, ainsi qu'une des au- bes mobiles 38 dont certaines parties sont élaguées. Cette aube mobile comporte un bord d'attaque 46 et un bord de fuite 48 A la tête 44 de l'aube, le bord de fuite est espacé axialement d'une distance L 1 du bord d'attaque La tête comporte un point 50 situé au bord d'attaque, un point 52 situé à mi-corde et un point 54 situé au bord de fuite Le point situé à mi-corde est axialement équidistant du bord d'attaque et du bord de fuite de la tête Un point 56 situé en aval du bord de fuite est espacé axialement vers l'arrière d'une distance L 2 du point situé sur le bord de fuite La distance L 2 est égale à la distance L 1 (L 2 =L 1) Qua- tre plans de référence P 1, P 2, P 3 et P 4 sont orientés par rapport à ces points sur l'aube mobile de ventila- teur et ils sont chacun perpendiculaires à l'axe de symétrie du carter de ventilateur Le plan Pl passe par le point 50 situé sur le bord d'attaque Le plan P 2 passe par le point 52 situé à mi-corde de la tête de la surface portante Le plan P 3 passe par le point 54 si- tué sur le bord de fuite Le plan P 4 passe par le point 56 situé en aval de l'aube mobile Chaque aube mobile est espacée radialement du carter de ventilateur 30, laissant ainsi subsister un espace libre G entre eux. Le carter de ventilateur 30 comprend, en dehors de l'aube mobile 38, une bande de friction 58, une enve- loppe 60, une première bride 62 et une deuxième bride 64. Les brides sont réunies d'une seule pièce à l'enveloppe. Ces brides s'étendent vers l'intérieur à partir de l'en- veloppe afin de définir une rainure 66 permettant, au car- ter de ventilateur, de recevoir la bande de friction. Le carter de ventilateur comporte une troisième bride 68 et une quatrième bride 70 réunies d'une seule pièce à l'enveloppe et s'étendant vers l'extérieur à partir de cette dernière La troisième bride comporte plusieurs trous (dont un seul est représenté en 72) lui permettant de venir s'engager sur une structure adjacente La qua- trième bride s'étend vers l'extérieur afin d'influen- cer la réponse aux vibrations du carter de ventilateur. Ces quatre brides et cette bande de friction ne sont pas considérées comme des parties de l'enveloppe pour une'analyse du confinement de fragments d'aubes de ventilateur dans un plan et, par conséquent, du point de vue analytique, on ne considère pas qu'elles amélio- rent l'aptitude de l'enveloppe à résister à l'impact des fragments d'une aube de ventilateur lors de la rupture de cette dernière. La figure 3 est urne vue schématique en coupe transversale de l'enveloppe 60 Les figures 4 et 5 illustrent des variantes de la forme de réalisation représentée schématiquement en figuré 3 Dans chacune de ces vues schématiques, la longueur et l'épaisseur sont exagérées afin d'illustrer la relation existant entre les plans de référence P 1, P 2, P 3 P 4 et l'épais- seur radiale t de la matière de l'enveloppe En fi- gure 3, l'enveloppe a, dans le sens radial, une épais- seur de matière t qui augmente vers l'arrière dans le sens axial jusqu'à une valeur maximum en arrière du plan P 2 situé à mi-corde La figure 4 illustre une en- veloppe ayant, dans le sens radial, une épaisseur de matière t qui augmente vers l'arrière dans le sens axial L'épaisseur de matière augmente d'une valeur mi- nimum Tmin en un point situé radialement vers l'exté- rieur de la zone du bord d'attaque à une valeur maximum Tmax dans une zone délimitée par le plan P 2 situé à mi- corde et le plan P 3 situé au bord de fuite En figu- re 5, l'enveloppe a, dans le sens radial, une épais- seur de matière t qui augmente d'au moins un incrément non uniforme jusqu'à une épaisseur de matière maximum Tmax dans une zone s'étendant entre le plan P 2 situé à mi-corde et le plan P 3 situé au bord de fuite Dans chacune de ces formes de réalisation, l'enveloppe a une première épaisseur minimum de matière en un point si- tué radialement vers l'extérieur de la zone du bord d'attaque de l'aube mobile et une épaisseur maximum qui est supérieure d'au moins 20 % à cette première épaisseur L'épaisseur de matière maximum de l'enve- loppe se situe dans une zone comprise entre le plan P 2 situé à mi-corde et le plan P qui est espacé axiale- ment en aval du bord de fuite d'une distance L 2. Au cours du fonctionnement de la turbine, l'as- semblage de rotor 26 illustré en figure 1 tourne autour de l'axe Ar à des vitesses pouvant atteindre 4 000 tours/minute Lorsque l'assemblage de rotor tourne, le disque 36 exerce une force centripète sur la zone de talon 40 de chaque aube, amenant ainsi cette derniè- re à suivre un parcours circulaire autour de l'axe de rotation Ar de l'assemblage de rotor Un impact créé sur l'aube par un objet étranger volumineux au cours de la rotation peut provoquer une rupture de cette aube dans la zone de talon La description ci-après sert à expliquer une interaction spécifique entre l'aube, la bande de friction 58 et l'enveloppe support 60 lors de cette rupture de l'aube Cette description n'est pas une énumération exhaustive de toutes les interactions pouvant avoir lieu entre les éléments au cours de la rupture de l'aube. En cas de rupture, l'aube de ventilateur 38 se brise dans la zone de talon et se déplace radialement vers l'extérieur en travers de l'espace G compris entre la zone de tête 44 et la bande de friction 58 pour ve- nir heurter cette dernière et se fragmenter Comme le montre spécifiquement la figure 6, la zone de tête 44 (désignée par A) de l'aube mobile se détache de cette dernière au cours de ce premier impact en abandonnant la zone de talon 40 et la zone 42 située à mi-envergure de l'aube (désignée par B) Les fragments de la zone de tête se déplacent vers l'avant avec une vitesse axiale relativement élevée en raison de la configura- tion du parcours d'écoulement, ainsi que de la diffé- rence de pression existant entre le bord d'attaque et le bord de fuite de l'aube La zone située à mi-enver- gure et la zone de talon de l'aube qui constituent la seconde partie B de cette dernière, se déplacent radia- lement vers l'extérieur en travers de l'espace radial occupé par la zone de tête 44 et en travers de l'espa- ce libre G. Tandis que la seconde partie B de l'aube de ventilateur 38 se déplace vers l'extérieur, elle est heurtée de l'arrière par l'aube adjacente suivante re- présentée en traits discontinus L'aube de ventilateur suivante accélère le mouvement du fragment B de l'aube brisée, lequel voit ainsi sa vitesse accrue à mesure qu'il glisse radialement vers l'extérieur le long de l'aube suivante La seconde partie B de l'aube a une composante de vitesse axiale Va dirigée vers l'arrière du fait qu'elle a été heurtée par l'aube suivante et, en raison de ce contact et de l'énergie de rotation de l'aube, cette seconde partie possède également une com- posante de vitesse Vr dirigée radialement vers l'exté- rieur En raison de la plus grande dimension de la seconde partie de l'aube et de la vitesse accrue résul- tant de l'impact de l'aube suivante, la seconde partie B de l'aube est amenée à venir heurter la bande de friction 58 avec une énergie accrue comparativement à celle résultant du premier impact de l'aube Comme le montre la figure 7, par suite de ce deuxième impact, l'aube pénètre à travers la bande de friction et vient heurter l'enveloppe de confinement 60 à un endroit si- tué en arrière du premier point d'impact Le fragment d'aube C se détache alors de la nouvelle tête de l'au- be et se déplace axialement vers l'avant en abandonnant 2520805- 1 l le fragment B'. Comme le montre la figure 8, la seconde par- tie B' de l'aube se déplace vers l'extérieur pour ve- nir heurter le carter une troisième fois Au cours de ce troisième impact, la partie restante de l'aube a une épaisseur suffisante pour que cette dernière ne se fragmente pas à la tête La partie B' de l'aube est entraînée vers l'arrière par l'aube suivante et, en raison de ce contact et de l'énergie de rotation de l'aube, la seconde partie de cette dernière vient éga- lement heurter l'enveloppe de confinement avec un im- pact plus violent que le premier Les deuxième et troi- sième impacts ont une amplitude nettement supérieure à celle du premier impact L'énergie maximum transmise à l'enveloppe de confinement se situe à l'arrière du premier plan de référence P 2 et à l'avant du plan P 4. Le renforcement sélectif du carter à l'arrière du plan P 2 augmente la capacité de ce carter à absorber l'énergie et il permet une réduction de poids compara- tivement aux structures ayant une épaisseur constante entre les plans Pl et P 4 Comme le montre la figure 8, la partie restante B' de l'aube est poussée vers l'ar- rière en dehors du plan du rotor Cette partie restan- te vient heurter le carter de l'arrière à une ou plu- sieurs reprises avec une force inférieure à celle des chocs linéaires se produisant entre les plans P 2 et P 4. La partie restante B de l'aube est spécifiquement enfer- mée en arrière du rotor par les aubes directrices de flux de sortie de ventilateur 32 illustrées en figure 1. Bien que l'invention ait été illustrée et dé- crite en se référant à des formes de réalisation dé- taillées, l'homme de métier comprendra que diverses mo- difications peuvent y être apportées tant dans sa forme que dans ses détails, sans se départir de son esprit et de son ca- dre tels qu'ils sont définis dans les revendications ci-après. 12 - REVENDICATIONS 1 Turbine à gaz à flux axial du type comportant un carter de ventilateur ( 30) comprenant une enveloppe ( 60) s' étendant circonférentiellement autour d'une rangée d'aubes mobiles ( 38) de ventilateur et ayant un axe de symétrie (As), cette turbine comprenant: une enveloppe ( 60) ayant, dans le sens radial, une épaisseur de matière qui augmente dans le sens axial vers 1 ' arrière et qui atteint une valeur maximum en arrière d'un plan (P 2) perpendiculaire à l'axe de symétrie (As) et passant par le point situé à mi-corde d'une des aubes mobiles ( 38), caractérisée en ce que l'épaisseur croisante de l'enveloppe ( 60) augmente sélectivement la section transversale du car- ter ( 30) afin de renforcer ce dernier contre l'impact de fragments d'aube. 2 Enveloppe pour un carter de ventilateur suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'aube mobile ( 38) comporte une tête ( 44) ayant un bord de fuite ( 48), un deuxième plan (P 3) passe par ce bord de fuite ( 48) et s'étend perpendiculairement à l'axe de symétrie (As), et une zone délimitée par le premier plan (P 2) et le deuxième plan (P 3) est celle o l'enveloppe ( 60) a une épaisseur maximum. 3 Enveloppe pour un carter de ventilateur suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'aube ( 38) de rotor comporte une tête ( 44) ayant un bord de fuite ( 48), ce bord de fuite ( 48) est espacé d'une distance (L) de la ligne d' échelonnement des aubes, un deuxième plan (P 4) passe par un point situé en arrière et à une distance (L) du bord de fuite en s'étendant perpendiculairement à l'axe de symétrie (As) afin de définir une zone s'étendant entre le premier plan (P 2) et le deuxième plan (P 4), zone dans laquelle 1 ' enveloppe ( 60) a une épaisseur maximum. 4 Enveloppe pour carter de ventilateur suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que l'épaisseur de matière augmente à un taux constant dans le sens axial vers l'arrière. Enveloppe pour un carter de ventilateur suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'épaisseur de ma- tière augmente d'au moins un incrément non uniforme. 13 - 6 Enveloppe pour un carter de ventilateur suivant la revendication 5, caractérisée en ce que l'épaisseur de ma- tière augmente en plusieurs échelons. 7 Enveloppe pour un carter de ventilateur suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que chaque aube mobile ( 38) comporte une tête ( 44) ayant un bord d'attaque ( 46), tandis que l'enveloppe ( 60) a une première épaisseur située radialement vers l'extérieur de la zone du bord d'at- taque ( 46), ainsi qu'une épaisseur maximum qui est supérieure d'au moins 20 % à cette première épaisseur. 8 Carter de ventilateur suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'aube mobile ( 38) comporte une tête ( 44) avant une zone de bord d'attque ( 46), une bride ( 68) s'étendant radialement vers l'extérieur de cette zone à partir de l'enveloppe ( 60).