Brevet FR2619161A1 — publié le 19890210

La présente invention concerne les chassis de moteurs à turbine à gaz en général et, plus particulièrement, un carénage destiné à isoler le chassis du trajet d'écoulement des gaz chauds. Dans les moteurs à turbine à gaz, il existe des structures du chassis de support dans la direction axiale du moteur. Un tel support structurel est généralement nécessaire à l'étage turbine, en particulier dans le cas o des supports de palier sont montés entre les étages des turbines. La structure du chassis comporte généralement des enveloppes intérieure et extérieure qui sont reliées par des entretoises coupant le trajet de circulation du fluide de travail. Lorsqu'une telle structure de châssis est présente dans la section chaude du moteur, par exemple au droit de la turbine, il est souhaitable d'isoler le chassis du trajet d'écoulement des gaz chauds. La protection du chassis s'effectue en montant un carénage qui comporte une paroi intérieure et une paroi extérieure pour le trajet d'écoulement reliées par une entretoise creuse du carénage de forme aérodynamique qui entoure l'entretoise du châssis pour assurer la protection thermique. Comme l'agencement comporte une entretoise creuse de carénage qui entoure une entretoise intérieure du châssis, on a suggéré dans l'art antérieur diverses techniques de fabrication et d'assemblage. -2- Dans une solution, le carénage se présente sous forme d'une construction monobloc qui utilise une pièce coulée ou fait appel à une autre technique de fabrication. On fabrique alors ou assemble la structure du châssis par l'intermédiaire du carénage monobloc, lequel est maintenu en formant une pièce unique. En variante, dans une autre solution, on forme d'abord la structure du châssis comme une construction monobloc soit par l'intermédiaire d'une pièce coulée soit en faisant appel à une autre technique de fabrication. On construit alors le carénage autour de ce châssis et le relie à celui-ci sous forme d'un ensemble inséparable. Dans chacune de ces solutions de l'art antérieur, les techniques de fabrication se traduisent par des coûts relativement élevés et la structure assemblée est complexe. Le carénage et le châssis deviennent inséparables et il en résulte qu'il s'avère difficile de réparer des parties soit du châssis soit du carénage lorsque l'un ou l'autre sont endommagés. Constituant une partie de chaque étage des turbines du moteur à gaz, il existe généralement des aubages distribu- teurs dans le but de diriger les gaz de combustion vers la turbine et de corriger l'angle d'incidence de manière à entraîner correctement la turbine. Lorsque le châssis et le carénage sont montés à proximité de la turbine, les aubages distributeurs sont généralement espacés axialement du caré- nage et fournissent par conséquent un composant axial supplémentaire qui est espacé du carénage, d'o il résulte une extension de la longueur du moteur et une augmentation du poids. Etant donné que le carénage est coulé ou assemblé sous forme d'un composant séparé, il n'a pas été jusqu'ici possible d'intégrer le carénage dans la structure des aubages distributeurs. En conséquence, la présente invention a pour objet un châssis assemblé perfectionné comprenant un carénage. La présente invention a pour autre objet un châssis - 3 - assemblé qui évite les problèmes de fabrication et d'assem- blage des structures de l'art antérieur. La présente invention a encore pour objet un châssis assemblé comportant un carénage qu'on peut fabriquer et assembler facilement sur un moteur à turbine à gaz tout en permettant l'amovibilité à des fins de réparation et d'entre- tien. La présente invention a aussi pour objet un carénage qui est formé en une pièce avec la section tuyère de la turbine afin de réduire la longueur axiale hors-tout et le poids du moteur à turbine à gaz. La présente invention a encore pour objet un procédé de fabrication d'un ensemble constitué d'un châssis et d'un carénage dans le but de réduire les coûts et de faciliter l'assemblage et l'accès à des fins de remplacement ou de réparation. La présente invention comprend un châssis assemblé pour moteur à turbine à gaz. Le châssis assemblé comporte une structure de carénage annulaire se montant sur une structure annulaire de châssis de manière à isoler la structure du châssis du trajet d'écoulement des gaz chauds. La structure du châssis comporte des enveloppes intérieure et extérieure reliées par des entretoises radiales de support. La structure annulaire du carénage comporte une paroi intérieure pour le trajet d'écoulement, placée radialement à l'extérieur de l'enveloppe intérieure et une paroi extérieure pour le trajet d'écoulement située radialement à l'intérieur de l'enveloppe extérieure. Les parois du trajet d'écoulement définissent entre elles un trajet pour l'écoulement des gaz. Des entretoises radiales creuses du carénage entourent les entretoises du châssis. La structure annulaire du carénage est fendue circonférentiellement dans un plan axial et comporte des sections de carénage antérieure et postérieure. Des liaisons mécaniques appropriées sont prévues entre les sections pour l'assemblage de la structure du carénage autour -4- des entretoises du châssis. Dans un mode de réalisation de l'invention, on fabrique le châssis séparément du carénage. Le carénage est coulé ou fabriqué en une pièce, puis usiné pour donner les sections antérieure et postérieure. On assemble alors les deux sections autour du châssis et les maintient par des attaches mécaniques. 4 La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, un dessin schématique d'un moteur à turbine à gaz illustrant l'emplacement du châssis assemblé selon un mode de réalisation de la présente invention entre une turbine haute pression et une turbine basse pression; figure 2, une vue éclatée en perspective des sections antérieure et postérieure d'une structure de carénage avant son montage autour des entretoises du châssis assemblé; figure 3, une vue en élévation de côté d'une entre- toise de châssis recouverte par une entretoise de carénage dans le châssis assemblé. figure 4, une vue en coupe prise le long de la ligne 4-4 de la figure 3; figure 5, une vue en coupe prise le long de la ligne -5 de la figure 3 et illustrant la forme aérodynamique de l'entretoise du carénage; figure 6, une vue en élévation de côté d'une entre- toise du carénage fabriquée en conformité avec un autre procédé de la présente invention; figure 7, une vue en élévation de côté semblable à celle illustrée en figure 6 et représentant encore un autre procédé de fabrication de la structure du carénage, et, figure 8, une vue en bout des pattes d'accouplement illustrées prise le long de la ligne 8-8. En figure 1, on a illustré une vue schématique d'un moteur 10 à turbine à gaz, donné à titre d'exemple, comprenant une entrée 12 par l'intermédiaire de laquelle - 5 - l'air est introduit dans le moteur en suivant un trajet d'écoulement 14. L'air traverse un compresseur centrifuge axial 18 et une chambre de combustion 20 et est brûlé avec le carburant pour produire des gaz de combustion chauds. Les gaz s'écoulent alors jusqu'à une turbine haute pression 24, puis jusqu'à une turbine basse pression 26 et s'échappent alors en passant par une sortie 28; A chacun des étages de la turbine basse pression 26 sont associés des aubages distributeurs 30 qui servent à diriger les gaz de combustion provenant des étages antérieurs vers les aubes de turbine de l'étage suivant et à corriger l'angle d'incidence de manière à entraîner correctement la turbine basse pression 26. Entre la turbine haute pression 24 et la premier étage de la turbine basse pression 26 se trouve un palier 32 d'arbre principal, fixé à l'extrémité radialement intérieure d'un chassis de turbine 33 en conformité avec un mode de réalisation de l'invention. Le chassis 33 supporte l'extré- mité arrière de l'arbre principal qui relie la turbine haute o pression 24 au compresseur 18. Le chassis 33 comporte une multitude d'entretoises radiales 34, espacées circonféren- tiellement, qui s'étendent radialement vers l'intérieur à partir de la carcasse 35 du moteur. Un carénage 36 entoure les entretoises 34 et les isole des gaz chauds circulant dans un trajet d'écoulement 38 entre la turbine haute pression 24 et la turbine basse pression 26. La construction du carénage de l'art antérieur et son assemblage avec un chassis de l'art antérieur se sont antérieurement traduits par un ensemble complexe ayant des parties inséparables. Cela a entraîné des coûts plus élevés de fabrication et d'assemblage et a provoqué aussi des difficultés lorsqu'il était nécessaire de procéder à des réparations. On a illustré, plus particulièrement dans les figures 2-5, un mode de réalisation préféré, donné à titre d'exemple, - 6 - du carénage 36 qu'on peut fabriquer sous forme d'une pièce coulée ou en faisant appel à un autre procédé de fabrication, indépendamment du châssis 33, et qu'on place ensuite sur ce châssis et fixe mécaniquement en place. Selon un mode de réalisation préféré de la présente invention, le châssis annulaire 33 permettant de supporter l'extrémité postérieure de l'arbre principal comporte une enveloppe extérieure 40, qui constitue une partie de la carcasse 35, et une enveloppe intérieure 42, enveloppes qui sont reliées par les entretoises 34. Les entretoises 34 sont transversales par rapport au trajet 38 d'écoulement des gaz et par conséquent canaliseront, pour le carénage 36, les gaz chauds entrant dans la turbine basse pression 26. De manière à protéger le châssis 33, on a prévu ce carénage 36. Le carénage 36 comporte une paroi intérieure 46 pour le trajet d'écoulement, espacée de l'enveloppe intérieure 42 dans la direction de l'extérieur. Une paroi extérieure 48 pour le trajet d'écoulement est également prévue, qui est espacée de l'enveloppe extérieure 40 dans la direction de l'intérieur. Une multitude d'entretoises de carénage 50 relient les parois intérieure et extérieure 46, 48. Comme on le voit le mieux en figure 5, chaque entretoise 50 du carénage est creuse et présente une section antérieure 52 en forme de U dont les branches sont cambrées. L'extrémité postérieure 54 de l'entretoise 50 a également la forme d'un U et, avec la section antérieure 52, constitue une entretoise ayant un profil aérodynamique qui est efficace pour former une aube destinée à être utilisée avec les aubages distribu- teurs comme on l'expliquera ultérieurement. Comme on le voit le mieux en figure 2, le carénage 36 présente deux sections complémentaires comprenant une section antérieure 56 et une section postérieure 58. Les deux sections ont des faces d'accouplement en aboutement, à savoir une face 60 sur la section antérieure 56 et une face correspondante d'accouplement 62 sur la section postérieure 58. - 7 - Pour fixer ensemble les sections, on a prévu des pattes en aboutement. Sur la section 56, il y a une multitude de pattes 66 espacées circonférentiellement les unes des des autres, qui sont radialement en saillie vers l'extérieur de la paroi supérieure 48 du trajet d'écoulement. Il y a également une multitude de pattes 68, radialement en saillie dans la direction de l'intérieur à partir de la paroi intérieure 46 du trajet d'écoulement. Des pattes correspon- dantes d'accouplement 66a et 68a sont de même prévues sur la 0 section postérieure 58. Les pattes 66 et 66a, et 68 et 68a, sont alors fixées ensemble au moyen de boulons 70, 72, comme cela est représenté en figure 3, ou de tout autre type de moyen mécanique d'assujettissement. Dans le but de positionner correctement le carénage 36, on a prévu une multitude de pattes radiales 74, espacées circonférentiellement les unes des autres, en saillie vers le bas sur l'enveloppe extérieure 40 qui s'engagent dans une multitude de pattes d'accouplement 76, espacées circonfé- rentiellement les unes des autres, en saillie dans la o direction du haut à l'arrière de la paroi supérieure 48 du trajet d'écoulement, comme cela est illustré en figures 3 et 8. On obtient ainsi la centralisation et le positionnement circonférentiel du carénage 36 et un positionnement correct dans le sens axial par rapport à la structure du châssis. Cependant, on remarquera que le carénage n'est pas obstrué thermiquement par les pattes radiales 74, qui peuvent se déplacer radialement par rapport aux pattes 76. De cette façon, le châssis 33 et le carénage 36 ne se gênent pas thermiquement et par conséquent assurent une plus longue durée de vie des pièces. On peut entièrement fabriquer le châssis 33 en dehors du carénage 36. On pourrait couler le carénage 36 ou le fabriquer sous forme d'une structure en une pièce. On peut alors l'usiner pour obtenir la section antérieure 56 et la section postérieure 58. On peut alors assembler les deux -- 8 -- sections autour du châssis 33 et les boulonner ensemble, puis fixer de façon classique le carénage assemblé 36 à l'enve- loppe extérieure 40 à proximité des pattes 74. Grâce à la possibilité de former le carénage 36 séparément du châssis 33, la présente invention permet d'obtenir les coûts les plus bas possibles pour la construc- tion de chacun d'entre eux. De plus, en réalisant initiale- ment en une pièce le carénage 36 puis en le séparant en deux parties, on peut adapter d'une façon presque parfaite les surfaces d'accouplement 60, 62 pour le trajet d'écoulement. Une telle adaptation évite les gradins, épaulements ou autres manques d'alignement pouvant se produire dans le cas con- traire. De tels gradins et épaulements provoqueraient norma- lement des pertes de performance dans le trajet d'écoulement. En évitant de réaliser séparément les sections 56, 58 du carénage, on élimine de telles pertes. Comme les sections 56, 58 du carénage sont fixées mécaniquement l'une à l'autre, on peut le démonter du châssis 33 pour faciliter les réparations et améliorer la maintenabi- lité. Ainsi, dans le cas o l'une quelconque des pièces nécessiterait une réparation, un changement ou un enlèvement, le démontage serait facilité. Comme cela est représenté en figures 2 et 5, en dehors de la formation du seul carénage 36, ses entretoises 50 (section antérieure 52 et section postérieure 54) peuvent être entremêlées avec les aubages distributeurs 80. La forme des entretoises 50 du carénage est généralement semblable à celle des aubages 80, de sorte que les entretoises 50 agissent en même temps comme une partie des aubages 80. Dans l'exemple de la figure 2, on a prévu douze entretoises 50 (seules trois sont représentées) et trente-six aubages 80 (seuls six sont illustrés), trois aubages 80 étant espacés les uns des autres entre deux entretoises contiguës 50. On remarquera que, comme les aubages 80 ont une longueur axiale plus petite que les entretoises 50, bien que ces -9entretoises soient constituées de deux sections, dont une partie est la section antérieure 56 du carénage et l'autre la section postérieure 58, les aubages 80 peuvent être formés entièrement dans une section, par exemple dans la section postérieure 58 comme cela est illustré en figure 2. On remarquera également que les entretoises 50 du carénage ne sont pas nécessairement fendues exactement en deux, comme cela est le mieux illustré en figure 5. On réalise de préférence la fente dans le but d'éviter le 0 fractionnement des aubages 80 et de façon qu'une partie plus grande soit formée à l'intérieur de la section postérieure 58 et une partie plus petite à l'intérieur de la section antérieure 56 de manière à faciliter la jonction des sections 56, 58 et le coulage des aubages 80 dans une seule section. On remarquera aussi que, bien qu'il y ait douze entretoises 50 de carénage dans ce mode de réalisation donné à titre d'exemple, il n'y a que six entretoises 34, une entretoise 34 étant disposée toutes les deux entretoises 50. Les autres entretoises 50 contiendront typiquement les 0 conduites de service pour canaliser l'huile et l'air vers le carter du moteur de la manière classique. En combinant le carénage 36 et les aubages distribu- teurs 80 pour constituer un même ensemble, il est possible de ne plus avoir une section axiale séparée pour les aubages distributeurs qui soit espacée du carénage 36. De cette façon, on peut réduire la longueur axiale hors-tout et le poids du moteur 10 à turbine à gaz. Alors qu'on vient de décrire ce que l'on considère comme un mode de réalisation préféré de l'invention, y 0 compris la fabrication du carénage 36, on peut employer des variantes de fabrication pour assurer l'alignement des surfaces 46, 48 du trajet d'écoulement dans le carénage 36 lors du coulage de ce dernier. A titre d'exemple, au lieu de couler le carénage 36 sous forme d'une pièce complète, puis de l'usiner pour obtenir les sections antérieure et posté- - 10 - rieure 56, 58, on peut faire appel à la variante illustrée en figure 6. Plus spécialement, on peut couler un carénage 58 sous forme d'une seule pièce comportant une section anté- rieure 86 et une section postérieure 88. Le long d'une ligne de fractionnement 90, des pièces coulées locales 92 relient les deux sections 86, 88. On peut alors séparer les deux sections, comme cela est classique, en les fractionnant, par exemple, par usinage par un procédé électrolytique afin d'enlever les pattes métalliques 92. Un tel procédé d'usinage de pièces coulées est bien connu dans la technique et sera utile pour obtenir les deux sections 86, 88 avec des interfaces d'accouplement alignées et par conséquent élimi- nant les gradins et perturbations dans le trajet uniforme d'écoulement. Un autre procédé assurant l'alignement des surfaces 46, 48 du trajet d'écoulement dans un carénage 98 consiste à couler les deux sections du carénage sous forme de sections antérieure et postérieure séparées 94, 96, comme cela est illustré en figure 7. Cependant, le coulage se fait de façon que les deux sections soient le plus près possible dans le même moule. Plus spécialement, la section antérieure 94 et la section postérieure 96 du carénage 98 sont illustrées comme étant coulées dans une coquille commune 100. Bien que les deux sections 94, 96 soient coulées séparément, comme cela est représenté par un espacement 102 les séparant, le fait de les couler dans le même moule et au même instant permet d'avoir la même déformation ou manque de rondodité dans les deux sections. Il en résulte que lorsqu'on réunit les deux sections, elles présenteront une interface d'accouplement avec un alignement précis, ce qui permet d'éviter tous les gradins ou épaulements non alignés qui sinon perturberaient le trajet d'écoulement. - 1 - REVENDICATIONS 1. Châssis assemblé pour moteur à turbine à gaz, caractérisé en ce qu'il comprend: un châssis annulaire (33) comportant une enveloppe intérieure (42), une enveloppe extérieure (40), et des entretoises radiales de support (34) reliant les enveloppes intérieure et;extérieure et pouvant être placées transversa- lement par rapport au trajet d'écoulement des gaz (38); un carénage annulaire (36) pour isoler le châssis des gaz chauds présents dans le trajet d'écoulement, le carénage comprenant: une paroi intérieure (46) pour le trajet d'écoulement placée radialement à l'extérieur de l'enveloppe intérieure; une paroi extérieure (48) pour le trajet d'écoulement placée radialement à l'intérieur de l'enveloppe extérieure, les parois du trajet d'écoulement définissant entre elles le trajet d'écoulement des gaz, des entretoises radiales creuses (50) de carénage entourant les entretoises du châssis, et le carénage étant fractionné circonférentiellement de manière à comprendre des sections antérieure (52) et postérieure (54), et un moyen d'accouplement (66, 68) pour assembler les sections du carénage autour des entretoises du châssis. 2. Châssis assemblé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les entretoises du carénage ont une forme aérodynamique. 3. Châssis assemblé selon la revendication 2, caracté- risé en ce que les entretoises du carénage ont la forme d'aube et constituent une partie d'aubages distributeurs (80). 4. Châssis assemblé selon la revendication 3, carac- térrisé en ce qu'il comprend en outre une multitude d'aubages- distributeurs placés radialement entre les parois intérieure et extérieure du trajet d'écoulement, et entremêlés circon- - 12 - férentiellement avec les entretoises du carénage. 5. Châssis assemblé selon la revendication 4, caracté- risé en ce que les aubes sont montées entièrement dans une seule des sections antérieure et postérieure. 6. Châssis assemblé selon la revendication 5, caracté- risé en ce que les aubes sont montées dans la --section postérieure du carénage. 7. Châssis assemblé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les sections antérieure et postérieure du carénage comportent une multitude de pattes en regard, espacées circonférentiellement les unes des autres et radia- lement en saillie vers l'extérieur sur la paroi extérieure du trajet d'écoulement, et des moyens mécaniques de fixation afin d'interconnecter les pattes et fixer les sections ensemble. 8. Châssis assemblé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la section antérieure a une longueur axiale plus petite que la section postérieure. 9. Carénage assemblé pour montage sur un châssis de turbine à gaz de manière à isoler le châssis des gaz chauds du trajet d'écoulement, le carénage assemblé comportant des sections antérieure et postérieure annulaires d'accouplement, chaque section comprenant une paroi extérieure, une paroi intérieure, un trajet d'écoulement des gaz étant défini entre les parois intérieure et extérieure, une multitude d'entre- toises creuses du carénage espacées circonférentiellement les unes des autres s'étendant radialement entre les parois intérieure et extérieure, et un moyen d'accouplement pour fixer ensemble les sections annulaires autour du châssis. 10. Carénage assemblé selon la revendication 9, caractérisé en ce que les sections s'accouplent ensemble de façon que les parois intérieure et extérieure respectives soient alignées l'une avec l'autre sans les épaulements entre elles qui peuvent provoquer un manque d'alignement. 11. Carénage assemblé selon la revendication 9, - 13 - caractérisé en ce que les entretoises d'accouplement du carénage se combinent pour conférer une forme aérodynamique. 12. Carénage assemblé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une multitude d'aubages distributeurs, espacés circonférentiellement les uns des autres, s'étendant radialement entre les enveloppes intérieure et extérieure et entremêlés avec les entretoises du carénage. 13. Carénage assemblé selon la revendication 11, caractérisé en ce que les aubages distributeurs sont prévus dans seulement l'une des sections antérieure et postérieure. 14. Carénage assemblé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le moyen d'accouplement comporte une multitude de pattes espacées circonférentiellement les unes des autres, montées en regard sur chaque section et en saillie radiale à partir de la paroi extérieure et de la paroi intérieure, et des moyens mécaniques de fixation pour interconnecter les pattes afin de fixer ensemble les sec- tions. o0 15. Procédé pour réaliser un carénage pour châssis de turbine à gaz afin d'isoler le châssis des gaz chauds du trajet d'écoulement, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: a) former sous forme d'un même ensemble des sections antérieure et postérieure annulaires du carénage, chaque section comportant une enveloppe extérieure, une enveloppe intérieure, et des parties s'accouplant d'entretoises radia- les creuses du carénage; b) séparer l'ensemble unitaire pour obtenir les sections antérieure et postérieure, fournissant des faces de jonction pour accouplement sans les épaulements pouvant provoquer des manques d'alignement; c) assembler les sections antérieure et postérieure par rapport au châssis afin de définir un trajet d'écoulement à travers le carénage et isoler le châssis des gaz du trajet d'écoulement et, - 14 - d) fixer ensemble les sections antérieure et posté- rieure. 16. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que les sections antérieure et postérieure sont coulées sous forme d'une même pièce et fractionnées pour donner les sections antérieure et postérieure. 17. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que les sections antérieure et postérieure sont coulées sous forme d'une même pièce, des pattes locales reliant les deux sections à la ligne de fractionnement. 18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à fractionner la pièce unitaire en utilisant un usinage par procédé électrolytique. 19. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que les sections antérieure et postérieure sont coulées à proximité l'une de l'autre dans le même moule comme deux sections, o toute déformation ou manque de rotondité seront les mêmes pour les deux parties. 20. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à former des aubages distributeurs radiaux dans au moins l'une des sections, les aubages étant entremêlés avec les entretoises du carénage.