Brevet FR2541724A1 — publié le 19840831

? 24 La présente invention coneerne le montage et l'en- trainement de rotors de turbomachines et elle a plus par- ticulièrement pour objet de résoudre le problème du sup- port et de l'entraînement de ces rotors lorsque leur masse est déséquilibrée et que leur inversion est permise. Un déséquilibre de rotors tels que les grandes souf- flantes de turbomachines peut se produire lorsqu'une aube ou une partie d'aube se détache du disque pendant que le moteur tourne. Lorsqu'un rotor perd une aube, il est fortement dé- séquilibré et se met à décrire une orbite autour de son axe de rotation initial Après avoir accompli un nombre limité de révolutions dans cet état essentiellement instable, il subit une inversion, c'est-à-dire qu'il modifie sa manière de tourner de façon que son nouvel axe de rotation passe par son nouveau centre de gravité et qu'il exécute en con- séquence un mouvement de rotation stabilisé. Une inversion ne se produit que lorsque le rotor tourne bien au-dessus de sa fréquence naturelle En régime normal, cette fréquence naturelle du rotor est prévue bien supérieure à la vitesse maximale de la turbomachine ( 30 % supérieure, dans les cas typiques) Lorsqu'une aube se dés tache, par exemple sous l'impact d'un oiseau englouti par la machine, il est nécessaire de diminuer la fréquence na- turelle du rotor d'une manière quelconque, pour permettre l'inversion. On a déjà proposé un certain nombre de solutions pour résoudre le problème de la rotation déséquilibrée et de l'inversion de rotors de soufflantes Une première ca- tégorie de ces solutions contient l'idée de placer près du rotor un ensemble de palier apte à flotter, ou à être dé- formé de façon permanente, seulement lorsque le dés 4 quili- bre et l'inversion se produisent -On trouve des exemples de cette solution dans les brevets britanniques N'a 1 421 377, 1 418 907 et 1 421 940 de-la Demanderesse. Lorsqu'il s'agit de turbomachines dans lesquelles l'arbre d'entraînement du rotor tourne dans trois paliers, on peut t 541 ? 24 faire en sorte que celui placé le plus près du rotor flot- te ou subisse une déformation permanente, tout en permet- tant au palier qui vient immédiatement après de se dépla- cer suffisamment pour tenir compte du flottement de 1 ' arbre Par contre, dans certaines turbomachines et, plus particulièrement, dans celles o l'arbre d'entraînement du rotor n'est monté que dans deux paliers (et non trois, comme d'habitude), il est impossible que la palier le plus proche du rotor flotte ou subisse une déformation perma- nente. Une seconde catégorie de solutions tient compte de la nécessité de monter l'arbre d'entraînement du rotor dans des paliers qui sont relativement fixes dans le sens radial et qui sont conçus de façon à supporter seulement les charges qu'ils subissent habituellement pendant que la machine tourne normalement et en Stat d'équilibre Ce- ci est particulièrement désirable lorsque l'arbre d'en- trainement du rotor ou de la soufflante est monté dans deux paliiers seulement Dans cette seconde catégorie de solutions, il est habituellement prévu d'interrompre la transmission du mouvement entre l'arbre et le rotor lors- qu'un état de déséquilibre se produit par la rupture d'un accouplement fragile monté dans la chaine cinématique qui aboutit au rotor Celui-ci est alors supporté par une structure qui, dans le sens transversal, est relativement plus souple que l'arbre d'entraînement Il est alors pré- vu habituellement une seconde cha ne cinématique pour en- traîner le rotor lorsque la première chaîne est interrom- pue La demande de brevet britannique NI 49445/73 se rap- porte à une solution de cette catégorie, dans laquelle la chaîne cinématique principale comprend un accouplement des- tructible et o il est prévu une chaîne cinématique secon- daire qui contourne cet accouplement. Une autre solution appartenant à cette dernière ca- tégorie est décrite dans la demande de brevet britannique, également en instance, déposée sous le N O 52406/76 au nom de la Demanderesse Ici aussi, la chaîne cinématique prin- cipale passe par un accouplement fragile, tandis que la chaine cinématique secondaire comporte un arbre auxiliai- re rigide en torsion et que le rotor est support 6 par une structure flexible, comme précédemment. Dans les deux solutions proposées et décrites dans les demandes de brevet britanniques N s 49445/73 et 52406/76, la chaine cin 6 matique qui aboutit au rotor passe par un accouplement destructible qui doit être cependant assez robuste pour résister aux sollicitations on torsion pendant la marche normale et équilibrée du rotor, mais as- sez fragile pour se rompre lorsqu'il subit un effort trans- vernal d'une valeur prédéterminée sous l'effet d'un désé- quilibre du rotor I 1 est difficile de dessiner un accou- plement qui réponde à ce;double critère. L'ensemble de rotor selon l'invention eat reli à un arbre dtentraîlnement par l'intermédiaire d'un accouple- ment qui permet au rotor de se déplacer radlalement tout d'un bloc relativement à l'arbre lorsqu'il est d 6 s&quilibré et d'avoir une rotation inversée, tandis que le couple con- tinue à être transmis par cet accouplement. De toute façon, l'invention sera bien comprise à 1 ' aide de la description-qui suit, en référence au dessin schématique annexé 9 représentant, à titre d'exemples non limitatifs, plusieurs formes d'exécution de cet ensembles Fig 1 est une vue de côté et partiellement en cou- pe longitudinale d'une turbomachine d'aéronautique du type à double 1 flux, comprenant l'ensemble de rotor selon l'in- vention; Fig 2 à % sent des vues en coupe axiale d'une par= tie du mécanismse d'entraînement du compresseur BP de la turbomachine de fig 1, montrant de façon plus d&taillée plusieurs formes d'exécution de ce mécanisme; Fig 5 est une vue en bout de l'accouplement repr 6- sente à fig 4. La turbomachine d'aéronautique représentée à la figure 1 est un turboréacteur double corps double flux 10 comprenant, dans le sens d'écoulement et dans l'ordre de leur énum 6 ration un compressceur basse pression ou soefflan- te / un compresseur axial moyenne pression 12, un compres- seur axial haute pression 139 une chambre de combustion 1 _%, une turbine haute pression 15, ine turbine moyenne pression 166, une turbine basse pression 17 et une tuyère 18 Des détails de la construction de ce turboréacteur ont été supprimes pour la clarté du dessin. Là turbine basse pression 17 entraîne en rotation 1 I ensemble de rotor de la szofflan Le Il par 1 'mterediaire d'un arbre 19 qui est monté, à l'arrière de la machine, dans un palier de butée 20 et, à l'avant, dans un roule- ment à billes 21 o L'ensemble de rotor de la soufflante Il est relié à l'arbre 19 par un joint ou accoup Iment d'Oldham 22, qui assure la transmission du couple Une goupille de cisaille- ment 23 empêche l'accouplement d'Oldham 22 de remplir sa fonction Cette goupille 23 est située sur l'axe de l'ar- bre 19, de sorte qu'elle ne transmet pas le couple de ro- tation Elle est prévie pour qu'on soit assuré que la soufflante Il tourne sur le même a-e que l'arbre 19 lors- que la turbomachine fonctionne de façon normalo et àquili- brée L'accouplement d'Oldham 22 est reprêsenta avec plus de détail l la figure 2 o Comme le mentre cette figure, il comprend deux élt- ments de serrage 24, 25, dont l'un 24 est boulonn 6 à l'ar- bre 19, tandis que l'autre 25 porte la goupille de cisail- lement 2 Une bride 26, sur laquelle est boulouxé le moy- eu de la soufflante 11, est placée entre les éléments de serrage 24 et 25 Cette bride 26 est aussi reliée à la goupille de cisaillement 23, L'6 l 6 ment de serrage 24 ent munie d'une s&rie de cannelures parallèles, qui coopèrent avec des cannelures compl&mentaires sur une face d'un élé- ment intermédiaire 27 Celui-ci est muni sur son autre fa- ce d'une seconde série de cannelures parallèles qui for- ument un angle droit avec les cannelures de la première $ 6- rie Cette seconde s&rie de cannelures coopère avec des cannelures complémentaires sur la bride 26 Les élments 354 i? 14 de serrage 24, 25 sont reliés l'un à l'autre par des bou- lons 28, qui traversent des trous de section supérieure à la leur dans l'élément intermédiaire 27 et dans la bride 26. La goupille de cisaillement 23 présente vers le mi- lieu de sa longueur une ligne circulaire d'amorce de rup- ture 29 et l'une de ses extrémités est fixe relativement à l'axe de l'arbre 19, étant reliée à cet arbre par les deux éléments de serrage 24 et 25 Son autre extrémité est reliée par la bride 26 au moyeu de la soufflante, de sorte que s'il se produit dans celui-ci un état de désé- quilibre du par exemple à la rupture d'une aube, le moyeu et la bride 26 se déplacent radialement Le mouvement de la bride 26 suit les cannelures placées entre elle et 1 ' élément intermédiaire 27 et le mouvement de ce dernier suit les cannelures qui se trouvent entre lui et 16 élément de serrage 24, La combinaison de ces deux mouvements pro- duit au niveau de l'amorce de rupture 29 un effet de ci- saillement qui rompt brusquement la goupille 23. Pour s'opposer au mouvement circulaire décrit par le rotor dés 4 quilibré autour de son axe de rotation ini- tial, il est prévu des moyens de rétablissement O sous. la forme d'un arbre l 2, qui est relié par une de ses ex- trémités à l'arbre 19 (cf fig 1) et, par son autre ex- trémité, à la goupille de cisaillement al (à l'extrémité de cette goupille qui est reliée au moyeu de la soufflante) L'arbre 31 fournit un effet de ressort qui communique au imoyeu un couple de rétablissement sous l'action duquel il tend à se déplacer de façon que son nouveau centre de gra- 3 o vité (résultant de la perte d'une aube) soit ramené sur 1 I axe de l'arbre 31. D'autres formes de moyens de rétablissement 309 par exemple des ressorts-lames qui s'étendent le long de l'a- lésage central de l'arbre 19 % des-blocs élastiques, des é- léments annulaires ou des ressorts hélicoïdaux entre l'ar- bre 19 et la goupille de cisaillement 23,peuvent être uti- lisés à la place de l'arbre 21. Il ressort de ce qui précède que l'accouplement d' Oldham 22 transmet à tout moment le couple de rotation en- tre l'arbre 19 et la soufflante, mais qu'il ne fonctionne comme un joint universel que dans la rare occasion o le déséquilibre du moyeu est suffisant pour provoquer la rup- ture de la goupille 23 Cette dernière n'a donc pas a être assez résistante pour transmettre le couple et se résistan- ce optimale doit lui permettre de supporter les sollicita- tions radiales qui se produisent pendant la marche normale, équilibrée, de la turbomachine, mais &tre suffisamment fai- ble pour qu'elle se rompe si les dites sollicitations ra- diales dépassent une valeur pr 6 dterminée correspondant à une marche déséquilibrée. Il est prévu d'utiliser dans 11 aócomplement d' Oldham 22 qui vient d'être d Acrit le contact frottant en- tre l'élément intermédiaire 27 et les autres parties qui coopèrent avec lui pour produirse N certain amortissement du déplacement radial initial effectué par le rotor déeé- quilibré lorsqu'il se met à décrire une orbite avant l'in- version Toutefois, quel qu'il soit, cet amortissement ne doit pas empêcher les moyens de rétablissement 30 d'amener le nouveau centre de gravité du rotor déséquilibrer sur 1 ' axe de l'arbre 19. Il y a deux écoles de pensée: l'une croit que l'a- mortissement par frottement entre les éléments déplaçables les uns relativement aux autres qui constituent un rotor (par opposition & l'amortissement pas frottement entre le rotor pris dans son ensemble et une structure fiîe) peut être toléré à condition qu'il ne soit pas excessif, tandis que leautre pense que toute forme d'amortissement par frot- tement-entre les éléments déplaçables les uns relativement aux autres qui constituent un rotor est déstabilisante Il se peut que d'autres recherches effectuées dans ce domaine apporte des éclaircissement sur ce point Il est néanmoins envisagé dans la présente invention d'utiliser n'importe quelle forme d'accouplement 22 (qu'il y ait ou non contact frottant entre ses éléments constitutifs) capable de trans- mettre le couple de rotation entre l'arbre 19 et le moyeu de la soufflante et de permettre à celle-ci de se déplacer radialement d'un bloc relativement à l'arbre 19 sans que son axe pivote relativement à celui de cet arbre. Les figures 3 à 5 montrent d'autres formes d'exécu- tion de cet accouplement. A la figure 3, l'accouplement 22 ne comporte pas d' élément interm&diaire 27 muni de cannelures qui coopèrent avec des cannelures complémentaires formees sur les élé- ments de serrage 24, 25, mais il comporte à la place de cet élément intermédiaire 27 des surfaces de frottement planes similaires a celles des garnitures des plateaux ou disques d'embrayage, placées sur les faces en regard 33, 34 de la bride 26 et des éléments de serrage 24, 25 On peut, si on le désire, prévoir des goupilles de cisaille- ment auxiliaires,S (representées en trait discontinu) pour limiter la rotation relative entre les éléments de serrage 24, 25 et la bride 26. On peut aussi remplacer l'accouplement 22 décrit en référence à la figure 2 par un autre, dans lequel on utili- se des biellettes et qui est représenté aux figures 4 et 5. Dans ces figures, l'accouplement comporte plusieurs paires de biellettes 35, dont chacune s'articule par une de ses extr&émités sur une bride annulaire 36 de l'arbre 19 (la bride 36 re place efficacement les éléments 24 et 25 et l'lément intermsdiaire 27 de l'accouplement representé à la figure 2), une seule paire de biellettes 35 étant re- présentée pour la clarté du dessin Les extr 6 mitts libres, diamétralement opposées, des biellettes 35 d'une même pai- re sont reliées l'une à l'autre par une biellette d'equi- librage 7 o Le couple appliqué à l'arbre 19 est transmis au moyeu de la soufflante Il par des biellettes 38 dont une extrémité s'articule sur la bride 36, tandis que 1 ' autre extrémité s'articule sur une des biellettes 35 en- tre les deux extrémités de celle-ci Les biellettes 35, 37 et 38 sont asses résistantes pour transmettre le couple appliqué à 1 'accouplement O Le moyeu de la soufflante I 11 est obligé de tourner autour de l'axe de l'arbre 19 par des goupilles de cisaillement 23 ditiensionnées de façon à se rompre sous l'effet du désequilibre du moyeno Un moy- en de rétablissement 30 en forme de bloc annulaire de caoutchouc est interpose entre le moyeu et la bride; 6. 2541724- REVENDICATIONS - 1. Ensemble de rotor pour une turbomachine d'aéro- nautique, comprenant un rotor, un arbre d'entrainement monté en rotation dans des paliers et un accouplement de transmission du mouvement de rotation reliant le rotor à l'arbre, caractérisé en ce que l'accouplement ( 22) est agencé de façon à permettre au rotor (il) de se déplacer radialement d'un seul bloc relativement à l'arbre ( 19) sans cesser de transmettre le mouvement de rotation et en ce qu'il est prévu un moyen de contrainte ( 23) apte à fonc- tionner de façon à obliger le rotor (il) à tourner autour de l'axe de rotation de l'arbre ( 19), mais agencé de fa- çon à cesser de contraindre le rotor ( 11) lorsque celui-ci entre dans un état de déséquilibre dynamique et déplace son centre de gravite radialement relativement à l'axe de l'arbre ( 19), ainsi que des moyens de rétablisserent ( 30) aptes à agir sur le rotor ( 11) lorsqu'il entre en état de déséquilibre pour le déplacer radialement d'un seul bloc relativement à l'axe de rotation de l'arbre ( 19) et rame- ner son centre de gravité sur cet axe. 2. Ensemble de rotor selon la revendication 19 caractérisé en ce que l'accouplement ( 22) est un joint u- niversel de type Oldham, comprenant un élément menant t 24), solidaire de l'arbre ( 19) ou ne formant avec celui-ci qu' une seule pièce, un élément mené ( 25) solidaire du rotor ( 11) ou ne formant avec lui qu'une seule pièce, et un elé- ment intermédiaire ( 27), qui coopere avec l'élément menant ( 24) et avec l'élément mené ( 25) pour transmettre le cou- ple de l'arbre ( 19) au rotor ( 11), l'élément intermédiaire ( 27) étant en prise avec l'élément menant ( 24) par des moy- ens (cannelures) qui obligent le premier cité à se déplacer relativement à l'arbre dans une direction transversale à 1 ' arbre et étant en prise avec l'élément mené ( 25) par des moyens (cannelures) qui obligent le rotor à se déplacer re- lativement à l'élément intermédiaire dans une seconde di- rection transversale, qui est perpendiculaire à la premiè- re. 3. Ensemble de rotor selon la revendication 2, caractérise en ce que 1 '6 élément intermeédiaire ( 27) est en prise par frottement avec l'élément menant ( 24) et l'é 16- ment mené ( 25) pour obtenir un amortissement par friction des mouvements radiaux du rotor ( 11) relativement à l'ar- bre ( 19) lorsque le dit rotor entre en état de deséquili- bre et se déplace radialement d' bloc relativement à 1 ' arbre Ensemble de rotor selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de prise sont constitués par une pluralité de cannelures paral Leles sur une surfa- ce, qui coopèrent avec des cannelures compl&aentaires sur une surface placée en regard. Ensemble de'rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de oentrainte coporte un ou plusieurs éléments fragiles ( 23, 32) aptes à se rompre lorsque les forces radiales qui s'oxercent sur le rotor ( 11) par suite de l'état de dés 6 quúilbre de celui-ci de- viennent supérieures à une valeur prédeterminfe O 6 Ensemble de rotor selon la revendication 5, caractérisé en ce que le ou chaque êl$ment fragile com- prend une goupille de cisaillement ( 23) placé sur l'axe de rotation de l'arbre ( 19). 7. Ensemble de rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de contrainte est constitué par le contact frottant entre deux éléments ( 24, 25). 8. Ensemble de rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'accouplement comporte des surfaces ( 33,34) qui sont en contact frottant l'une avec l'autre dans un même plan radial.