Brevet FR2640686A1 — publié le 19900622

La présente invention concerne les moteurs à réaction en général et plus particulièrement un support pour la turbine d'un moteur à réaction qui élimine la nécessité d'avoir à recourir aux châssis classiques pour moteur ainsi qu'aux anneaux de renforcement des aubes de turbine inclinées à haute pression. Les moteurs à réaction comprennent un turboréacteur générateur de gaz. Les parties d'un turboréacteur comprennent un compresseur suivi, dans l'ordre, d'une chambre de combus- tion, d'une turbine et d'une tuyère d'échappement. Le compresseur procède à la compression de l'air entrant de manière à obtenir une combustion meilleure du carburant injecté dans la chambre de combustion. Les gaz de combustion provenant de la chambre provoquent la rotation des aubes de la turbine à haute pression pour entraîner le compresseur et sortent alors de la tuyère d'échappement pour conférer au moteur sa poussée. Certains types de moteurs à réaction, tels que les moteurs à double flux avec la soufflante à l'avant (ce qu'on appelle en général moteur à soufflante antérieure), compor- tent des parties supplémentaires pour produire la poussée d'une façon plus efficace. Le moteur à soufflante antérieure obtient une partie de sa poussée à partir du turboréacteur et une autre partie à partir d'une soufflante antérieure supplémentaire dans laquelle la portion extérieure de l'écou- - 2 - lement d'air provenant de cette dernière contourne le turboréacteur. Les soufflantes antérieures, entraînées par une section supplémentaire à turbine de basse pression (qui suit la section à turbine de haute pression) agissent comme des hélices pour fournir au moteur une poussée supplémen- taire. Les sections à turbines de haute et basse pression comportent chacune un ou plusieurs étages. Un étage de turbine comprend une rangée d'aubes tournantes dont les extrémités passent le long de l'enveloppe environnante du stator de la turbine. Une aube tournante de rayon élevé développe davantage de puissance qu'on aube de rayon plus faible. Les aubes inclinées des turbines (qu'on définit ici par aubes de turbine ayant des extrémités inclinées) permet- tent au concepteur du moteur à réaction d'augmenter plus facilement le rayon des aubes de turbine dans les derniers étages. Les ensembles classiques à roulements des turbines sont du type à roulements à rouleaux qui subissent une dilatation thermique axiale de la façon suivante. Un ensemble à roulements à rouleaux présente un chemin intérieur de roulement fixé à l'arbre de la turbine qui conduit à ses aubes et un chemin extérieur de roulement fixé généralement au châssis de la turbine qui conduit à l'enveloppe de son stator. Un chemin de roulement (par exemple le chemin extérieur) emprisonne axialement le roulement à rouleaux qui peut coulisser librement dans le sens axial par rapport à l'autre chemin (par exemple le chemin intérieur) lors de la dilation thermique. Ainsi, alors que l'arbre de la turbine subit une dilatation thermique axiale, le coulissement axial du roulement à rouleaux provoque un mouvement axial relatif des aubes de la turbine par rapport à l'enveloppe de son stator. Par conséquent, les aubes inclinées de turbine nécessitent des anneaux de renforcement qui sont fixés à leurs extrémités de manière à maintenir des jeux appropriés aux extrémités lors de la dilatation thermique axiale, comme cela est bien connu du technicien. Les aubes des turbines à haute pression sont soumises aux températures élevées de l'écoulement d'air et leurs extrémités tournent à de grandes vitesses. Un anneau- de renforcement des aubes d'une turbine à haute pression exerce généralement une charge centrifuge de plusieurs tonnes sur leur extrémité alors que celle-ci est soumise à des tempéra- tures élevées. Dans les moteurs à réaction connus, il y a souvent un châssis de moteur dont le seul objet est de supporter les roulements de la turbine. Ce châssis de la turbineaugmente le poids du moteur. L'élimination du châssis se traduirait par une meilleure consommation spécifique du carburant et par des coûts de fabrication plus faibles. Dans d'autres moteurs à réaction connus ne comportant pas de châssis pour le moteur, les aubages distributeurs de la turbine (ou tiges de support courant à travers les aubages) supportent un roulement de la turine du type roulement à rouleaux. De tels ensembles à roulements à rouleaux subissent une dilatation thermique axiale, imposant que les aubes inclinées de la turbine comportent des anneaux de renforcement fixés à leurs extrémi- tés de manière à maintenir le jeu correct à ces extrémités. Il serait souhaitable qu'un moteur à réaction supporte les roulements de la turbine sans qu'il soit nécessaire de faire appel à un châssis lourd pour le moteur et permette l'utilisation d'aubes inclinées pour la turbine à haute pression sans requérir l'emploi d'anneaux de renforcement pour les aubes imposant une charge centrifuge. La présente invention a pour objet un moteur à réaction ayant une meilleure consommation spécifique du carburant. La présente invention a pour autre objet un moteur de ce type qui élimine le châssis cher et lourd supportant la turbine dans les réalisations classiques des moteurs à - 4 réaction. La présente invention a encore pour objet un support des roulements de la turbine pour un tel moteur qui permet l'utilisation d'aubes inclinées pour la turbine à haute pression, aubes qui ne comportent pas d'anneaux de renforce- ment. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, le sous-ensemble du moteur à réaction de la présente invention comprend un arbre de turbine, un ensemble à roulements à billes pour la turbine, une enveloppe extérieure de chambre de combustion, plusieurs tirants, un diffuseur de compres- seur, et un dispositif supportant les charges axiales. Le roulement a un chemin de roulement intérieur et un chemin de roulement extérieur. Le chemin de roulement intérieur est fixé à l'arbre à proximité de sa partie arrière. Les tirants s'étendant généralement dans le sens radial ont chacun une extrémité radialement la plus à l'intérieur qui est fixée au chemin de roulement extérieur de la turbine et une extrémité radialement la plus à l'extérieur qui est assujettie à l'enveloppe extérieure de la chambre de combustion à proxi- mité de l'extrémité arrière de celle-ci. La conduite radiale- ment extérieure du diffuseur du compresseur est fixée à l'enveloppe extérieure de la chambre de combustion à proxi- mité de l'extrémité avant de l'enveloppe. Le dispositif supportant les charges axiales, s'étendant généralement dans le sens longitudinal, pour supporter structurellement une charge axiale entre le chemin de roulement extérieur de la turbine et la conduite radialement intérieure du diffuseur du compresseur, est placé radialement en général dans sa totalité à l'intérieur de la conduite. L'invention offre plusieurs bénéfices et avantages. Les tirants de support de la charge radiale et le dispositif de support de la charge axiale supportent l'ensemble à roulements à billes de la turbine sans qu'il soit nécessaire de faire appel au châssis lourd classique du moteur. Cela - permet d'améliorer la consommation spécifique en carburant. L'ensemble à roulements à billes de la turbine ne subit aucune dilatation thermique axiale car les chemins de roulement intérieur et extérieur emprisonnent axialement le roulement à rouleaux qui par conséquent ne peut coulisser axialement par rapport à l'un ou l'autre chemin de roulement lors de la dilatation thermique. Cela permet l'utilisation d'aubes inclinées pour la turbine à haute pression ne comportant aucun anneau de renforcement. La suppression des anneaux de renforcement des aubes élimine les charges centrifugent qu'ils imposent aux aubes. La suite de la description se réfère à la figure annexée 1 qui représente une vue schématique en coupe d'une partie d'un moteur à réaction à turboréacteur à double flux comprennant un sousensemble, représentant la chambre de combustion du moteur et la zone de la turbine. Le sous-ensemble 10 du moteur à réaction, selon la présente invention, comme cela est représenté dans une partie du moteur à réaction à turboréacteur à double flux de la figure 1, comporte un arbre 12 de turbine à haute pression (HP). Un ensemble 14 à roulements à billes de la turbine comporte une multitude de roulements à billes 16 et présente un chemin de roulement intérieur 18 qui est fixé à l'arbre 12 à proximité de la partie arrière de celui-ci. On notera que dans la description de la présente invention, lorsqu'on dit de deux parties qu'elles sont "reliées", celles-ci peuvent être connectées ensemble par une ou plusieurs structures intermédiaires ou elles peuvent l'être directement sans aucune structure intermédiaire. Une rangée la plus en avant des aubes inclinées 22 de la turbine HP exemptes d'anneau de renforcement est relié à un disque 24 de turbine qui est lui- même relié par un cône 26 à l'arbre 12 de la turbine, les liaisons étant toutes longitudinalement à l'arrière de l'ensemble à roulements à billes 14. Comme on l'a indiqué précédemment, on entend ici par aube inclinée de turbine une -6- aube dont l'extrémité est inclinée. Un cône 28 de disque de compresseur est relié à l'arbre 12 de la turbine à l'avant de l'ensemble à roulements à billes 14. L'ensemble 14 est le premier roulement de butée fixe qui ne se déplace pas axialement lors de la dilatation thermique de l'arbre 12. L'autre extrémité (non représentée) de cet arbre extérieur pourrait être reliée à un ensemble à roulements à rouleaux du compresseur qui se déplacerait axialement lors de la dilata- tion thermique de cet arbre extérieur. Un ensemble 30 à roulements à rouleaux d'une turbine à basse pression (BP) contient une multitude de roulements à rouleaux 32 et présente un chemin de roulement intérieur 34 qui est relié à l'arbre 36 de la turbine BP à proximité de la partie arrière de ce dernier. Une première rangée d'aubes inclinées 38 de la turbine BP (comportant des anneaux de renforcement 39) est reliée à un premier disque 40 de la turbine BP, et une seconde rangée d'aubes inclinées 42 de la turbine BP (comportant des anneaux de renforcement 43) est relié à un second disque 44 de cette turbine. Une entretoise 46 interconnecte les deux disques 40 et 44. Le premier disque est relié par un cône 48 à l'arbre 36 de la turbine BP, les liaisons étant toutes longitudinalement à l'avant de l'ensemble 30 à roulements à rouleaux de la turbine. L'ensemble 30 se déplace axialement lors de la dilatation thermique de l'arbre 36. L'autre extrémité (non représentée) de cet arbre intérieur pourrait être reliée à un ensemble à roulements à billes de soufflante qui serait le roulement de butée fixe et qui ne se déplacerait pas axialement lors de la dilatation thermique de l'arbre de la turbine BP. Le trajet intérieur 50 de l'écoulement d'air du moteur à turboréacteur à double flux, comme cela est représenté en figure 1, comporte de l'air circulant au niveau de la rangée la plus à l'arrière des aubages directeurs 52 du compresseur et traversant un diffuseur 54 du compresseur, une chambre de combustion 56, une tuyère 58 de la turbine HP, la turbine HP -.7- , et la turbine BP 62. Le trajet extérieur 64 de l'écoulement d'air, comme représenté figure 1, comporte de l'air de dilution qui circule entre une conduite extérieure 66 du moteur et une conduite intérieure 68. La conduite extérieure 66 présente un flasque arrière 70 pour la liaison à la tuyère d'échappement du moteur (non représentée). Les conduites intérieure et extérieure 68 et 66 sont reliées ensemble par une biellette 72. La figure 1 montre que la conduite extérieure 66 comprend une partie de l'enveloppe 74 des aubages directeurs du compresseur, la conduite radialement extérieure 76 du diffu- seur 54 du compresseur, l'enveloppe extérieure 78 de la chambre de combustion 56, et l'enveloppe 80 du stator des turbines HP/BP. L'enveloppe 80 supporte une rangée de stators 82 de la turbine HP, une première rangée de stators 84 de la turbine BP, et une seconde rangée de stators 86 de la turbine BP (qu'on appelle aussi aubages distributeurs 86 de la sortie). La conduite radialement extérieure 76 du diffuseur du compresseur est reliée à l'enveloppe extérieure 78 de la chambre de combustion à proximité de l'extrémité avant de l'enveloppe. La conduite radialement intérieure 88 du diffu- seur du compresseur est reliée au segment avant 90 de l'enveloppe intérieure 92 de la chambre de combustion. Le segment arrière 94 de l'enveloppe intérieure de la chambre de combustion est relié à une partie arrière de la tuyère 58 de la turbine HP. La partie avant de la tuyère 58 est reliée à une section arrière des garnitures intérieure et extérieure 96 et 98 de la chambre de combustion. Les injecteurs de carburant 100 pénètrent par l'intermédiaire de bossages 102 de l'enveloppe extérieure 78 de la chambre de combustion et injectent le carburant dans une entrée avant 104 entre les garnitures intérieure et extérieure 96 et 98 de la chambre de combustion. Le support de la turbine à haute pression 60 comporte une multitude de tirants 106 s'étendant généralement dans le - 8 - sens radial, ayant chacun une extrémité radialement la plus à l'intérieur qui est reliée au chemin de roulement extérieur 108 de l'ensemble à roulements à billes de la turbine HP et ayant chacun une extrémité radialement la plus à l'extérieur qui est reliée par des écrous 110 à l'enveloppe extérieure 78 de la chambre de combustion à proximité de l'extrémité arrière de cette enveloppe de manière à supporter la charge radiale entre le chemin de roulement extérieur 108 et l'enveloppe extérieure 78. La tuyère 58 de la turbine HP contient une multitude d'aubages 112 s'étendant dans le sens radial, et de préférence chacun des tirants 106 traverse un aubage correspondant 112. Le support de la turbine à haute pression 60 comporte en outre un moyen 114 s'étendant généralement dans le sens longitudinal pour supporter structurellement une charge axiale entre le chemin de roulement extérieur 108 de l'ensemble à roulements à billes de la turbine HP et la conduite radialement intérieure 88 du diffuseur du compres- seur. Le moyen 118 est disposé radialement généralement à l'intérieur de la conduite 88 du diffuseur du compresseur, est de préférence indépendant des tirants 106, et est disposé de préférence dans le sens longitudinal entièrement à l'avant des tirants 106. Dans le mode de réalisation donné à titre d'exemple, un tel moyen 114 de support de la charge axiale comporte le segment avant 90 de l'enveloppe intérieure de la chambre de combustion, ce segment ayant une partie avant reliée à la conduite intérieure 88 du diffuseur du compres- seur, et comporte un cône 116 de support axial ayant une extrémité fixée au chemin de roulement extérieur 108 de l'ensemble à roulements à billes de la turbine HP et ayant son autre extrémité reliée à la partie arrière du segment avant 90 de l'enveloppe intérieure de la chambre de combus- tion. Un autre moyen de cette nature comprend le cône de support axial qu'on a mentionné précédemment, dont l'autre extrémité est connectée directement à la conduite radialement 9- intérieure du diffuseur de la chambre de combustion sans segment avant intermédiaire de l'enveloppe intérieure de la chambre de combustion. Des moyens supplémentaires comprennent divers tirants, bras, cônes, etc., et leurs combinaisons, formant une structure de support de charge axiale entre le chemin de roulement extérieur 108 de l'ensemble à roulements à billes de la turbine HP et la conduite radialement intérieure 88 du diffuseur du compresseur, comme le remar- quera le technicien. On notera que la liaison du cône de support axial 116 et des tirants 106 sur le chemin de roulement extérieur 108 de l'ensemble à roulements à billes de la turbine HP s'effectue de préférence au moyen d'un anneau intérieur intermédiaire 118. Le support de la turbine 62 à basse pression comporte une multitude de tirants 120 s'étendant généralement dans le sens radial, ayant chacun une extrémité radialement la plus à l'intérieur qui est reliée au chemin de roulement extérieur 122 de l'ensemble à roulements à rouleaux de la turbine BP et une extrémité radialement la plus à l'extérieur qui est reliée par des écrous 124 à l'enveloppe 80 des stators des turbines HP/BP à proximité de l'extrémité arrière de l'enve- loppe afin de supporter la charge radiale s'exerçant entre le chemin de roulement extérieur 122 et l'enveloppe 80 des stators. De préférence, chaque tirant 120 traverse un aubage distributeur 86 correspondant de la sortie. Comme le roule- ment à rouleaux 32 coulisse lors du déplacement axial de l'arbre 36 de la turbine BP, aucun dispositif de support de la charge axiale n'est nécessaire pour le chemin de roulement extérieur 122 de la turbine BP. On remarquera que la présente invention permet d'éli- miner le châssis classique du moteur à turbine et propose à sa place une structure comportant un support de turbine HP qui utilise des tirants 106 s'étendant dans le sens radial et un cône 116 de support de charge axiale, tous ces éléments étant fixés au chemin de roulement extérieur 108 d'un ensemble 14 à roulements à billes de la turbine HP. 264C686 - 10 - REVENDICATIONS 1. Sous-ensemble (10) de moteur à réaction, caracté- risé en ce qu'il comprend: a) un arbre (12) de turbine présentant une partie arrière; b) un ensemble (14) à roulements à billes de turbine ayant un chemin de roulement intérieur (18) relié à l'arbre de turbine à proximité de sa partie arrière et comportant un chemin de roulement extérieur (108) de turbine; c) une enveloppe extérieure (78) de chambre de combustion (56) présentant une extrémité avant et une extrémité arrière, e) une multitude de tirants (106) s'étendant généra- lement dans le sens radial, ayant chacun une extrémité radialement la plus à l'intérieur qui est reliée au chemin de roulement extérieur de la turbine et présentant une extrémité radialement la plus à l'extérieur qui est reliée'à l'enve- loppe extérieure de la chambre de combustion à proximité de ladite extrémité arrière, f) un diffuseur (54) de compresseur ayant une conduite radialement extérieure (76) reliée à l'enveloppe extérieure de la chambre de combustion à proximité de ladite extrémité avant et-ayant une conduite radialement intérieure (88); et g) un moyen (114) de support de charge axiale, s'étendant généralement dans le sens longitudinal, pour supporter structurellement une charge axiale s'exerçant entre le chemin de roulement extérieur de la turbine et la conduite radialement intérieure du diffuseur du compresseur, ce moyen de support étant radialement disposé pour se trouver généra- lement entièrement à l'intérieur de la conduite radialement intérieure du diffuseur du compresseur. 2. Sous-ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen (114> de support de charge axiale est longitudinalement disposé pour être généralement entièrement à l'avant des tirants (106). - 11 - 3. Sous-ensemble selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen (114) de support de charge axiale est indépendant des tirants (106). 4. Sous-ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen (114) de support de charge axiale comporte un segment avant (90) de l'enveloppe intérieure (92) de la chambre de combustion ayant une partie avant reliée à la conduite radialement intérieure (88) du diffuseur du compres- seur et ayant une partie arrière, et en ce que le moyen de support de charge axiale comporte aussi un cône de support axial (116) présentant deux extrémités, le cône de support ayant une extrémité reliée au chemin de roulement extérieur (108) de turbine et son autre extrémité reliée à la partie arrière du segment avant (90) de l'enveloppe intérieure (92) de la chambre de combustion. 5. Sous-ensemble selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend aussi une tuyère (58) de turbine reliée à l'enveloppe intérieure de la chambre de combustion et présentant une multitude d'aubages (112), chaque tirant (106) traversant un aubage correspondant. 6. Sous-ensemble selon la revendication 1, la revendi- cation 4, ou la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend aussi une rangée la plus en avant d'aubes de turbine (22) reliées à l'arbre (12) de turbine longitudinalement à l'arrière de l'ensemble (14) à roulement à billes de la turbine. 7. Sous-ensemble selon la revendication 6, caractérisé en ce que les aubes de turbine comportent des aubes inclinées. 8. Sous-ensemble selon la revendication 7, caractérisé en ce que chacune des aubes inclinées de la turbine est une aube ne présentant aucun anneau de renforcement. 9. Sous-ensemble selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'arbre (12) de la turbine est un arbre de turbine à haute pression et la rangée la plus en avant des aubes inclinées démunies d'anneaux de protection est une rangée la plus en avant d'aubes inclinées de turbine à haute pression ne comportant aucun anneau de renforcement.-