Brevet FR2556777A1 — publié le 19850621

A4 2556777 L'invention concerne de manière générale les pan- neaux métalliques minces dans les moteurs à turbine à gaz. Plus particulièrement, elle concerne les panneaux courbes ayant de faibles rayons de courbure particulièrement lorsque S ces courbures sont sensiblement normales à la direction de l'arc. Les moteurs à turbine à gaz comportent de nombreu- ses surfaces annulaires y compris la chambre de combustion, la turbine haute pression et la turbine basse pression. Cha- cune de ces surfaces est délimitée par une chemise ou virole qui définit un trajet d'écoulement. Les chemises ou viroles classiques peuvent être divisées en un certain nombre de panneaux courbes avec un moyen pour fixer chaque panneau à un support. Dans le passé, ces panneaux ont eté formés par des pièces brutes de coulée usinées avec précision ensuite. Ces panneaux ont tendance à être lourds du fait des limitations de la coulée nécessitant des épaisseurs minimum. Ils peuvent aussi présenter certaines faiblesses dues aux vides créés pendant le processus de coulée. En outre 1 opération d'usi- nage nécessite un temps supplémentaire, ce qui a pour resul- tat des panneaux plus coûteux. Les panneaux peuvent aussi être formés par d'au- tres techniques de fabrication. Par exemple, pour les viro- les de turbine basse pression, des éléments métalliques min- 2 - ces peuvent être réunis les uns aux autres pour former le panneau. A nouveau, comme avec l'usinage, ces techniques prennent du temps et sont coûteuses. La présente invention a pour buts: - de réaliser un panneau métallique mince courbe amélioré pour une utilisation dans un moteur à turbine à gaz; - de réaliser une chemise pour.trajet d'écoulement moins coûteuse que celles connues auparavant; - de réaliser une virole métallique mince courbe pour une utilisation dans une turbine haute pression. Selon la présente invention un panneau métallique mince dans un moteur à turbine à gaz comporte une région de contraintes. La région définit un premier arc d'intersection avec un premier plan. La région définit en outre un second arc d'intersection avec un deuxième plan. Le second arc a un rayon intérieur inférieur à deux fois l'épaisseur du panneau. Selon un mode de réalisation spécifique de la pré- sente invention, un panneau métallique mince de virole com- prend une plaque de renfort de virole de forme générale courbe, une première bride et un premier rail. La première bride s'étend vers l'extérieur à partir de la plaque de ren- fort et le premier rail s'étend à partir de la première bri- de. Le premier rail comporte des première et- deuxième par- ties avec la deuxième partie repliée sur la première partie pour former ainsi une région de contraintes. Cette zone de contraintes définit un premier arc d'intersection avec un premier plan et définit un deuxième arc d'intersection avec un deuxième plan. Le deuxième arc a un rayon intérieur qui est inférieur à l'épaisseur du panneau. La description qui va suivre se réfère aux figures qui représentent respectivement: - figure 1, une vue schématique d'un moteur à tur- bine à gaz; - figure 2, une vue en coupe d'un panneau de viro- le et son montage suivant un mode de réalisation de la pré- 3- sente invention - figure 3, une vue en perspective du panneau de virole de la figure 2; - figure 4, une vue en coupe du panneau de virole de la figure 2; - figure 5, une vue en perspective d'une région de contraintes d'un panneau métallique mince; - figure 6, une vue en perspective d'une autre ré- gion de contraintes d'un panneau métallique mince. La figure 1 représente un moteur à turbine à gaz comportant un compresseur 12, une chambre de combustion 14, une turbine haute pression 16 et une turbine basse pression 18. Chacune de ces surfaces annulaires est délimitée radia- lement par une structure qui définit un trajet d'écoulement. Le compresseur 12 est délimité par l'enveloppe 20, la cham- bre de combustion par la chemise 22, et les turbines 16 et 18 par les viroles 23 et 26. Chacune de ces structures peut être reliée à un support. De plus, chaque structure peut être divisée en un certain nombre de panneaux courbes pour différentes raisons d'assemblage et de fabrication. Bien que les caractéristiques demandées en ce qui concerne la résis- tance, la résistance à la chaleur, le poids etc., pour cha- cune de ces structures puissent différer, elles ont toutes en commun la nécessité d'avoir un moyen de fixation à un support solide, fiable et relativement peu coûteux. Selon un mode de réalisation de la présente inven- tion on a conçu le panneau de virole 24 qui est un segment courbe d'une virole 23 de turbine à haute pression. Le pan- neau de virole 24 représenté aux figures 2, 3 et 4 est formé à partir d'une feuille métallique d'une seule pièce. On peut utiliser de manière avantageuse de nombreux matériaux pour la feuille métallique. Le matériau recommandé consistera en un alliage comportant uniquement ou en combinaison, du nickel, du cobalt et du chrome. Par exemple, des matériaux disponibles dans le commerce ayant ces caractéristiques sont 4- l'Hastalloy X, le HS188, le L605, le Rene' 41, le Waspal- loy, le MA754 et le MA956. L'épaisseur T de la feuille mé- tallique sera déterminée par l'application. Selon un mode de réalisation, l'épaisseur T sera supérieure à 0,635 mm et dans un mode de réalisation recommandé elle sera comprise entre 0,635 mm et 1,524 mm. Le panneau 24 comporte une plaque de renfort de virole généralement courbe 38. La forme courbe épouse la forme générale de la turbine dans le sens 40 de la circonfé- rence telle qu'elle est limitée par les panneaux de virole 24. Le panneau 24 comporte aussi une structure de fixation avant 42 et une structure de fixation arrière 44. Il est évident que les structures de fixation représentées le sont ici à titre d'illustration seulement et que beaucoup d'au- tres configurations sont comprises dans le domaine de la présente invention. Comme représentée figure 4, la structure de fixa- tion avant 42 comporte un premier élément de fixation 92 et un deuxième élément de fixation 94. L'élément 92 comporte un premier élément de bride 96 qui s'étend vers l'extérieur à partir de l'extrémité avant de la plaque de renfort 38 et une première partie de rail 98 qui s'étend à partir du pre- mier élément de bride 96. L'élément 94 comporte une deuxième partie de rail 100 et un deuxième élément de bride 102. Com- me on le décrira de manière plus complète ci-après, l'élé- ment 94 est replié sur l'élément 92 de sorte que le premier élément de bride 96 et la première partie de rail 98 ont pratiquement la même forme que le deuxième élément de bride 102 et la deuxième partie de rail 100, respectivement. Les éléments de bride 96 et 102 forment ainsi une bride et les parties de rail 98 et 100 forment un rail avant 30. De la même manière, la structure de fixation ar- rière 44 comporte un troisième élément de fixation 104 et un quatrième élement de fixation 106. L'élément 104 comporte un troisième élément de bride 108 qui s'étend vers l'extérieur - 5 - à partir de l'extrémité arrière de la plaque de renfort de virole 38, et la troisième partie de rail 110 qui s'étend à partir de l'élément de bride 108. L'élément 106 comprend la quatrième partie de rail 112 et le quatrième élément de bri- de 114. De même qu'avec la structure de fixation avant 42, la structure 44 est formée en repliant l'élément 106 sur l'élément 104 de sorte que le troisième élément de bride 108 et la troisième partie de rail 110 ont pratiquement la même forme que le quatrième élément de bride 114 et la quatrième partie de rail 112 respectivement. Les éléments de bride 108 et 114 forment ainsi une bride et les parties de rail 110 et 112 forment un rail arrière 32. Comme représenté figure 2, chaque panneau 24 est fixé au support 28 par la prise du rail avant 30 et du rail arrière 32 du panneau 24 dans la fente avant 34 et la fente arrière 36 du support 28, respectivement. En plus de la forme généralement courbe du panneau 24 suivant la direction 40, on forme des coudes 46a, 46b, 46c, 46d, 46f, 46g, et 46h sensi- blement normaux à la direction 40. Au voisinage de chaque coude, on forme une région de contraintes o les contraintes de tension et/ou de compression proviennent à la fois de la forme courbe et du coude qui lui est perpendiculaire. La figure S représente de manière détaillée la région de contraintes 48 du panneau 24 au voisinage du coude 46g. La région de contraintes 48 définit un premier arc d'intersection 50 avec un premier plan 52. Le plan 52 est généralement parallèle à un plan tangent au sommet 49 du coude 46g. Le rayon de l'arc 50 est égal à la distance jus- qu'à l'axe du moteur. La région de contraintes 48 définit en outre un deuxième arc 54 avec un second plan 56. Le plan 56 est perpendiculaire au premier plan 52 dans un mode de réa- lisation recommandé. L'arc 54 est l'image de la surface in- térieure 59 de la région de contraintes 48 et correspond au rayon intérieur du coude 46g. En général, le rayon 64 de l'arc 54 sera inférieur à deux fois l'épaisseur (2T) du pan- -6- neau 24. Dans le cas du coude 46g, o le panneau 24 est re- plié sur lui-même, le rayon 64 de l'arc 54 est bien infé- rieur à l'épaisseur (lT) du panneau 24 et approche de zéro. La mesure de l'arc 54 sera d'environ 180 puisque le panneau 24 est replié sur lui-même au coude 46g. Plusieurs raisons peuvent faire que l'on maintient un petit rayon de courbure sur le coude 46g. Comme représen- té figure 2, le rail avant 30 doit être reçu dans la fente avant 34. Un contrôle de dimensions serré doit être maintenu à cet interface. Par conséquent, un large rayon de courbure créant une extrémité en forme de bulbe sur le rail 30 pour- rait avoir un effet contraire sur cet ajustement. De plus, le jeu 66 entre les parties de rail 68 et 70 devait être soudé. De manière à obtenir une bonne résistance, le jeu 66 doit être étroit sur toute sa longueur. De manière classique dans le passé, le rayon inté- rieur 64 de ces coudes devait être supérieur ou égal à deux fois l'épaisseur (2T) du panneau 24 pour éviter la rupture. Selon la présente invention, des coudes plus serrés, infé- rieurs à 2T et approchant zéro ont été obtenus. On contraint tout d'abord le panneau métallique mince par formage pour lui donner sa forme circonférentielle courbe. Ceci établit des contraintes de tension et de compression dans le panneau dans le sens circulaire. Cet arc est maintenu tandis que l'on recourbe la pièce jusqu'à un arc de très faible rayon selon une deuxième direction. Un état de contraintes biaxia- les est créé par ce processus permettant ainsi d'obtenir des coudes de faible rayon. Bien que le repli d'un panneau sur lui-même, tel que représenté aux figures 2 à 5 puisse être nécessaire pour former les rails 30 et 32, d'autres coudes à rayon serré peuvent être nécessaires ailleurs dans le panneau. Par exem- ple, une région de contraintes 72 au voisinage du coude 46d est représentée figure 6. La région 72 définit un premier arc d'intersection 74 avec un premier plan 76. La région 72 -7- définit un deuxième arc d'intersection 78 avec un second plan 82. L'arc 78, qui est le rayon intérieur du coude 46d, a un rayon 84 inférieur à deux fois l'épaisseur (2T) du pan- neau 24. Selon un mode de réalisation recommandé, le rayon 84 est approximativement égal à 1T bien que l'on puisse ob- tenir des rayons plus petits si nécessaire. Des coudes serrés peuvent être obtenus chaque fois qu'il est nécessaire de copier les contours des panneaux cou- lés de l'art antérieur. Par exemple, les coudes 46a et 46c peuvent être serrés pour augmenter l'aire de la surface du rail arrière 32 qui est en contact avec la fente arrière 36. Le coude 46d peut être serré pour augmenter l'aire de la sur- face de liaison entre les éléments de bride 108 et 114 de la bride 90. De même, avec le coude 46g représenté figure 4, les rayons des coudes serrés peuvent approcher zéro lorsque néce- ssaire. Il peut être souhaitable de souder les jonctions 60 et 61 représentées figure 4, là o les éléments de fixation 92 et 94, et 104 et 106 prennent, respectivement, la même forme. On peut souder ces jonctions selon le procédé de liaison sous vide. Plus particulièrement, le procédé décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique 4 098 450 peut être utilisé de manière avantageuse. Il apparaîtra de manière évidente à l'homme de l'art que la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation spécifique décrit et représenté ici pas plus que la présente invention n'est limitée aux viroles de turbine dans les moteurs à turbine à gaz. Plutôt, l'invention s'applique également à tout panneau métallique mince courbe ayant un coude à rayon serré dans un moteur à turbine à gaz. On admettra que les dimensions, les proportions et les relations structurelles représentées ici sont données à titre d'exemple seulement et que ces représentations ne doi- vent pas être prises comme étant les dimensions réelles ou les relations structurelles ou proportionnelles utilisées pour le panneau de la présente invention. - 8 - REVENDICATIONS 1. Dans un moteur à turbine à gaz, un panneau mé- tallique mince (24) comportant une région de contraintes (48), cette région définissant un premier arc d'intersection (50) avec un premier plan (52) et définissant un deuxième arc d'intersection (54) avec un deuxième plan (56), caracté- risé en ce que le second arc a un rayon inférieur à deux fois l'épaisseur du panneau (2T). 2. Panneau métallique mince selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur du panneau est supé- rieure à 0,635 mm. 3. Panneau métallique mince selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second plan est perpendiculaire au premier plan. 4. Panneau métallique mince selon la revendication 3, caractérisé en ce que le deuxième arc mesure environ 180 . 5. Panneau métallique mince selon la revendication 4, caractérisé en ce que le second arc a un rayon inférieur à l'épaisseur du panneau (1T) et en ce que la région de con- traintes est un moyen de fixation du panneau à un support (28). 6. Dans un moteur à turbine à gaz, un panneau mé- tallique mince de virole (24), caractérisé en ce qu'il com- porte: - une plaque de renfort de virole (38) de forme générale courbe ayant des extrémités avant et arrière (42, 44); - une première bride s'étendant vers l'extérieur à partir de la plaque de renfort (38); et - un premier rail (30) s'étendant à partir de la première bride, ce rail comportant des première (98) et se- conde (100) parties de rail et o la seconde partie de rail est repliée sur la première partie formant ainsi une région de contraintes (48); cette région de contraintes définissant un premier arc d'intersection (50) avec un premier plan (52) -9- et définissant un second arc d'intersection (54) avec un deuxième plan (56), le second arc ayant un rayon intérieur inférieur à l'épaisseur du panneau (1T). 7. Panneau selon la revendication 6, caractérisé en ce que la première bride forme un premier coude (46e) par rapport à la plaque de renfort (38) , ce premier coude ayant un rayon intérieur inférieur à deux fois l'épaisseur du pan- neau (2T). 8. Panneau selon la revendication 6, caractérisé en ce que le premier rail (30) forme un deuxième coude (46h) par rapport à la première bride, ce deuxième coude ayant un rayon intérieur inférieur à deux fois l'épaisseur du panneau (2T). 9. Panneau selon la revendication 6, caractérisé en ce que le premier rail s'étend pratiquement parallèle à la plaque de renfort (38). 10. Panneau selon la revendication 6, caractérisé en ce que la première bride s'étend à partir de l'extrémité - avant de la plaque de renfort (38) , ce panneau comportant en outre: - une seconde bride s'étendant vers l'extérieur à partir de l'extrémité arrière de la plaque de renfort (38); et - un deuxième rail (32) s'étendant à partir de la deuxième bride, le deuxième rail comportant des troisième (110) et quatrième (112) parties; la quatrième partie étant repliée sur la troisième partie formant ainsi une deuxième région de contraintes, cette deuxième région définissant un troisième arc d'intersection avec un troisième plan et défi- nissant un quatrième arc d'intersection avec un quatrième plan, le quatrième arc ayant un rayon intérieur inférieur à l'épaisseur du panneau (1T). 11. Dans un moteur à turbine à gaz, un panneau de virole formé d'une feuille métallique d'une seule pièce, ca- ractérisé en ce qu'il comporte: - 10 - - une plaque de renfort de virole (38), de forme généralement courbe avec des extrémités avant et arrière (42, 44); - un premier élément de fixation (92) comportant un premier élément de bride (96), s'étendant vers l'exté- rieur à partir de la plaque de renfort (38) et une première partie de rail (98) s'étendant à partir. du premier élément de bride (96), et - un deuxième élément de fixation comportant une deuxième partie de rail (100) et un deuxième élément de bri- de (102), le deuxième élément de fixation étant replié sur le premier élément de fixation de sorte que la deuxième par- tie de rail (100) prend pratiquement la forme de la première partie de rail (98) et que le deuxième élément de bride (102) prend pratiquement la forme du premier élément de bri- de (96) formant ainsi une première région de contraintes (48); - cette première région de contraintes définissant un premier arc d'intersection (50) avec un premier plan (52) et définissant un deuxième arc d'intersection (54) avec un deuxième plan (56), le deuxième arc ayant un rayon intérieur inférieur à l'épaisseur du panneau. 12. Panneau selon la revendication 11, caractérisé en ce que le premier élément de bride forme un premier coude (46e) par rapport à la plaque de renfort (38), ce premier coude ayant un rayon intérieur inférieur à deux fois l'épaisseur du panneau. 13. Panneau selon la revendication 11, caractérisé en ce que les première et deuxième parties de rail forment un deuxième coude (46h) par rapport aux premier et deuxième éléments de bride, ce deuxième coude ayant un rayon inté- rieur inférieur à deux fois l'épaisseur du panneau. 14. Panneau selon la revendication 11, caractérisé en ce que la première partie de rail s'étend pratiquement parallèle à la plaque de renfort (38). - il - 15. Panneau selon la revendication 11 caractérisé en ce que le premier élément de fixation (92) s'étend à par- tir de l'extrémité avant de la plaque de renfort (38), ce panneau comportant en outre: - un troisième élément de fixation (104) compor- tant un troisième élément de bride (108) s'étendant vers l'extérieur à partir de l'extrémité arrière du support (38) et une troisième partie de rail (110) s'étendant à partir du troisième élément de bride; et, - un quatrième élément de fixation (106) compor- tant une quatrième partie de rail (112) et un quatrième élé- ment de bride (114), ce quatrième élément de fixation étant replié sur le troisième élément de fixation de sorte que la quatrième partie de rail (112) et le quatrième élément de bride (114) prennent pratiquement la forme de la troisième partie de rail (110) et du troisième élément de bride (108) respectivement, formant ainsi une deuxième zone de contrain- tes; cette deuxième zcne de contrainte définissant un troi- sième arc d'intersecticn avec un troisième plan et définis- sant un quatrième arc d'intersection avec un quatrième plan, le quatrième arc ayant un rayon intérieur inférieur à l'épaisseur du panneau. 16. Panneau selon la revendication 11, caractérisé en ce que son épaisseur est supérieure à 0,635 mm.