Brevet FR2644515A1 — publié le 19900921

MODRAGE DE TURBINE DE PUISSANE La présente invention conerne de façon génArale des moteurs à turbine à gaz et, plus particulièrement, un montage pxour assurer le support par rapport à une structure fixe d'une turbine de puissance d'un moteur à hAlioe de propulsion non carene. Les moteurs à turbine à gaz tels que oeux utilisés en aviation comprennent genralement un compresseur, une chambre de combustion et une turbine haute pression, oes éléments étant mcntés en série dans le sens de 1'écoulement des gaz. L'air introduit dans le moteur est oemprimé par le coyresseur puis mélangé à du carburant et enflammé afin de former un courant gazeux à haute énergie. Le courant gazeux passe à travers la turbirne haute pression dans laquelle une partie de l'énergie de combustion est extraite afin d'entrainer le compresseur. Les moteurs turbo-propulseur et turbo-soufflante utilisés pour la propulsion des avions o:mprenrent en outre habituellement une Srreconde turbine, appelée généralement turbine de puissance, située en aval (en arrière) de la turbine haute pression. La turbine de puissanoe extrait de l'énergie du courant gazeux pour entraLiner un certain rombre de pales d'une hélice de propulsion ou d'une soufflante, ces pales fournissant la force de propulsion de l'avion. On connait déjà un moteur à turbine à gaz dans lequel une première et une seconde rangées annulaires de pale d'hélice s'éternent radialement vers l'extrieur depuis la turbine de puissance. La turbine de puissance comprend un certain rnmbre de rangées d'aubes de turbine reliées alternativement à un preTier et un second rotor de faço que les rotors tournent en sens inverse lorsque le courant gazeux traverse la turbine de puis- sance. Les première et setixnde rangées de pale d'hélice sont reliées respectivement aux premier et second rotors pour obtenir le mouvement produisant la propulsion. Dans d'autres moteurs connus actuellement, les premier et secornd rotors sont disposés coaxialement par rapport à une structure fixe, le premier rotor étant monté à rotation sur la structure fixe par l'intermédiaire d'un ensemble de roulements à rouleaux et le second rotor étant monté à rotation sur la struc- ture fixe par l'intermédiaire d'un second ensemble de roulements à rouleaux. Le fait que la structure fixe supporte directeaent les deux rotors a pour incnvénient que la flexion axiale de la structure fixe peut entraeirr une déviation d'une rangée annulaire d'aubes de turbine et, dans un cas extrm, la col- lision avec les aubes de turbine d'une rangée adjacente tournant en sens inverse. De telles déviations peuvent survenir lorsque la structure fixe est soumise à des efforts de flexion provenant des pales de l'hélice de propulsion ainsi que du poids des rotors. Lorsqu'un avion effectue des manoeuvres ou est soumis à des forces externes, la structure fixe est soumise à des moments fléchissants entrainant le déplaerent des supports de rotor. Si l'axe de rotation de la structure au niveau du premier ensemble de palier présente une différence de position significative par rapport à l'axe de rotation de la structure au niveau du secondr ensemble de palier, les rangées adjacentes d'aubes de turbine peuvent présenter des axes de rotation différentes et il peut se produire des Collisions entre elles. Puisqu'une telle oollision peut causer de sérieux dommages à la turbine de puissance, il est souhaitable de prévoir une turbine de puxissance pour moteur du type à ihlioe de propulsion non carèrèe dans laquelle les rangées adjaoentes d'aubes de turbine ne sont pas sxomises à des déplaoe- ments de oe type. Dans les avions utilisant des moteurs du type à hélioe de propulsion rnon énée, les éléments de fixation des moteurs sur l'avion sont disposés sur chaque noteur à l'avant par rapport à la turbine de puissane afin d'éviter des interférenes avec les pales de l'hélioe de propulsion. Une partie de la struture fixe est suspendue vers l'arrière par rapport aux fixations du moteur, et s'étend de façon oentrale au travers de la partie formant turbine de puissanoe, afin de supporter les rotors présents dans oette partie. Un incnvénient au fait de supporter chaque rotor directement sur la structure fixe réside dans le fait que la structure fixe doit avoir une lcrgueur suffisante pour supporter séparent chaque rotor. Dans oette cxnfiguration dans laquelle on réalise le support d'une piè_e loangue, de façon relativement rigide et ne pouvant pas fléchir, la dimension et la masse totale de la structure fixe formant stator doit être rela- tivement grande. L'augmentation de poids qui en résulte affecte dirteent le rendement énergétique de l'avion. Si les rotors pouvaient être supportés de façon à oe que l'on puisse réduire la lncrgueur de la structure fixe, le poids du moteur serait réduit et le renrdement énergétique de l'avion serait augmenté. Un objet de la présente invention est de fournir une turbine de puissanoe perfectionnée pour un moteur à turbine à gaz à hélice de propulsion, permettant de pallier les icvénients prl,am t cités. Un autre objet de la présente invention est de fournir une turbine de puissance pour un moteur à turbine à gaz à hélioe de propulsion dans laquelle la stracture formant support du rotor présente une lcngueur réduite. Un autre objet de la présente invention est de fournir une turbine de puissance pour un moteur à turbine à gaz à hAlioe de propulsion dans laquelle une partie du rotor située vers l'avant est couplée à un stator permettant de ce fait une reduc- tion de la masse du stator. Un autre objet de la présente invention est de fournir une structure support de rotor de longueur réduite qui autorise une flexion de la structure support tout en evitant une dif- ference de flexion entre les rotors du moteur. Dans un mode de réalisation donne à titre d'illustra- tion, la présente invention est incrrporée dans une turbine de puissance d'un moteur à turbine à gaz comprenant une structure fixe ou stator, des premier et serond rotors et des premier et seond moyens formant palier. Les premier et second rotors sont positionrns de façon coaxiale par rapport à l'axe longitudinal du stator. Un conduit d'écoulent de gaz annulaire est disposé dans l'axe longitudinal entre les premier et seond rotors. Chaque rotor est relié à un oertain nombre de rangées annulaires d'aubes de turbine disposées cironférentiellement par rapport au rotor et s'étendant dans le conduit d'écoulement du gaz de façon à oe que ce gaz s'écoulant à travers le conduit d'éculement provoque la rotation de chaque rotor. Chaque rangée d'aubes de turbine est fixée au premier rotor et est coaxiale à une rangée adjaoente d'aubes de turbine fixées au second rotor, constituant ainsi des rangées annulaires alternées d'aubes pour chaque rotor. Un premier ensemble de palier est disposé entre le premier rotor et le premier stator pour assurer la rotation du premier rotor par rapport au stator. Un sen ensemble de palier est disposé entre les premier et second rotors pour assurer la rotation du second rotor par rapport au premier rotor. Puisque le second rotor est reliée au premier rotor, les deux rotors conservent un axe de rotation sensiblement ommun ne supportant pas les flexions du stator par rapport à l'axe longitudinal. Selon un mode de réalisation de la présente invention, une majeure partie des premier et second rotors s'étend le long de l'axe longitudinal en arrière du premier ensemble de palier. Ainsi, les rotors sont supportés en porte-à-faux à l'arrière du premier ensemble de palier. Puisque la partie du stator s'étendant à l'arrière du premier ensemble de palier ne supporte pas de charge, sa résistance, sa lrongueur et sa masse ne néressitent pas d'être aussi grandes que oelles de la partie du stator située à l'avant du premier ensemble de palier. Ceci permet une réduction du poids et une augmentaticn du rendemnt nergétique. POur une meilleure cmpréhension de la présente inven- tion, on se référera à la description détaillée qui va suivre en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure i est une vue en perspective d'un moteur à turbine à gaz du type à hélioe de propulsion; et la figure 2 est une vue de oté en oupe d'une partie de la turbine de puissane d'un moteur à turbine à gaz du type à khlioe de propulsion non carénée, construite selon la présente invention. Les figures 1 et 2 représentent un moteur à réaction 20 à hélioe de propulsion carée, disposé de façrn oonentrique par rapport à un axe de moteur oentral longitudinal 58. Le moteur CTprend des pales d'hélioe de propulsion avant et arrière 22 et 24, tournant en sens inverse et disposés radiale1ent vers l'exté- rieur depuis une turbine de puissanoe 25. La turbine de puissanre cpred des premier et second rotors 26 et 28 tournant en sens inverse, chacun étant relié à un oertain norzmnbre de rarngées annulaire d'aubes de turbine tournant en sens inverse 30 et 32. Les pales d'hélioe de propulsion avant et arrière 22 et 24 sont reliées respectiveaent aux premier et second rotors 26 et 28 et tournent avec oes rotors. Les aubes de turbine 30 et 32 tournant en sens inverse s'éterndent dans un conduit d'couilement de gaz annulaire 42 défini enltre les premier et seo-d rotors 26 et 28. L'air traversant le moteur 20 est omprimé et échauffé de façgn à former un omurant gazeux à haute énergie (à haute pres- sion et à haute température) désigrné de façon générale par la flèche 44. Le courant gazeux 44 se déterd en passant à travers le corduit d'amoulement 42 en agissant contre les aubes 30 et 32 de façon à entraLner en rotation les rotors 26 et 28 qui, à leur tour, entraLnent respectivement les pales des hélioes de propul- sion 22 et 24 en rotation en sens inverse. Un cae 49 situé à l'arrière et fixé au second rotor 28 et permet d'obtenir les caractéristiques d'éxulement souhaitées du courant gazeux 44 lors de sa sortie du moteur 20. Le rotor 26 ccprend une struc- ture support située vers l'avant 50 et disposée cncentriquement par rapport à une partie arrière d'une structure fixe centrale 52. La partie située vers l'avant 50 est montée à rotation sur la structure fixe 52 au moyen de paliers du type à roulement incluant une butée annulaire 54 et deux roulements 56 disposés entre la structure fixe 52 et la partie située vers l'avant 50. Le premier rotor 26 est adjacent à la structure fixe 52 et alignré sur l'axe longritudinal 58 et le second rotor 28 est disposé de façn cocentrique par rapport au premier rotor 26. Le secnxrd rotor 28 est monté à rotation sur une partie arrière 60 du premier rotor 26 au rmoyen d'une autre butée annulaire 62 et de deux roulements 64 disposés entre les rotors. Le poids total de la turbine de puissanoe 25 est supporté par la structure fixe 52 par l'interrmdiaire des paliers 54 et 56. L'effort de poussé provenant de la turbine de puissance 25 est transféré à la struc- ture fixe 52 par l'interédiaire de la butée située la plus en avant 54. On peut noter que les réactions aux moments de gira- tion des deux rotors tournant en sens inverse agissent de façon alternée, c'est-à-dire que, du fait de la rotation en sens inverse, le mnment positif du rotor avant est cDense par le mnient négatif du rotor arrière par l'intermédiaire des paliers reliant oes deux rotors. Ainsi, le monent de giration transféré par les fixations du roteur à la structure de l'avion est prati- queint nul, ce qui permet d'utiliser des fixations plus légères et plus souples. Perdant le fonctionnaient en régime stationnaire, c'est-à-dire lorsque le mrouvent du moteur 20 est parallèle à l'axe 58, les pales 22 et 24 tournent de façon conentrique par rapport à l'axe 58. Le moment cinétique résultant de la rotation des rotors 26 et 28, des aubes de turbine 30 et 32 et des pales des hlices de propulsion 22 et 24 provoquent un nmomient gyros- copique s'cposant à tout cxuple appliqué pour changer la direc- tion de 'axe de rotation. Si un avion propulsé par le nmoteur 20 modifie rapidement sa direction, c'est-à-dire toure, se met à monter ou desedre, ou est soumis à d'autres fores externes, la stucture fixe 52 exeroe un ouple à l'encontre des rotors 26 et 28 terdant à déplacer l'axe de rotation de chaque rotor par rapport à 1'axe 58 de la structure fixe 52. Un tel xouple fait subir au nmteur un noient fléchissant en travers de l'axe 58. Puisque la totalité de la turbine de puissance 25 est reliée à la structure fixe 52 par l'intermédiaire des paliers 54 et 56, les rotors peuvent fléchir par rapport à la structure 52. Cependant, puisque le second rotor 28 est supporté de façon concentrique par rapport au premier rotor 26, les rotors 26 et 28 fléchissent ensemble de façon à maintenir leur rotation concentrique l'un par rapport à 1 'autre. Cela a pour consquencxe d'éviter la col- lision des aubes de turbine 30 et 32. Etant donne que l'on fait supporter le secnd rotor 28 sur le premier rotor 26, on évite une différence de déplacement et on minimise la possibilité de collision entre les aubes de turbine. Le fait de coupler le second rotor 28 sur le premier rotor 26 présente un autre avantage résultant du fait que le rotor 32 n'a pas besoin d'être couplé directement sur la struc- ture fixe 52 dans le but d'assurer son support. Si la structure fixe 52 s'éterndait vers l'arrière afin d'assurer le support du second rotor 28, sa taille et sa masse en seraient augnentées le long de 1 'axe 58 afin d'assurer le support du second rotor 28 et de résister aux moments fléchissants. D'autre part, la structure fixe 52 peut cependant s'étendre vers la partie arrière 60 du rotor 26 ou s'étendre au-delà, pour des raisons non liées à la structure, par exemple pour Constituer un châssis pour les lignes de commande qui comnuniquent avec la partie arrière du moteur. Une telle structure de châssis s'étendant ainsi ne rnécessite pas d'être très résistante ni massive puiqu'elle n'est pas rnécessaire pour assurer le support d'un second rotor. En assurant le support 2644 5 1 5 de la totalité de la turbine de puissance 25 dans une position située vers l'avant de la turbine de la fagon décrite précé- demment, le poids total du moteur 20 peut être réduit. Du fait de la description claire de oet exemple de modes de réalisatian de l'invention, l'homme du métier pourra envisager de multiples modifications dans la structure et dans les composants, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Turbine de puissanoe pour moteur à turbine à gaz cnprenant: - une -structure fixe (52) centrée sur un axe longitu- dinal (58); - un rotor extérieur (28, 29) et un rotor intérieur (26, 27) disposés ronentriquement l'un par rapport à l'autre le lrong d'un axe lrongitudinal (58) et définissant un passage d'éoou- lement annulaire (42) entre les rotors extérieur et intérieur pour laisser passer un courant gazeux à haute énergie (44) au travers du moteur; - une première rangée annulaire d'aubes de turbine (32) reliées au rotor intérieur et s'étendant dans le passage d'écou- lement (42) pour transformer de l'énergie du courant gazeux en un mouvement du rotor intérieur (26, 27); - une secondre rangée annulaire d'aubes de turbine (30) reliées au rotor extérieur et s'étendant dans le passage d 'écou- lement (52) pour transformer l'énergie du courant gazeux (44) en un mouvement du rotor extérieur (28, 29), la seconde rangée annulaire d'aubes de turbine étant alignée axialement avec la première rangée annulaire adjaoente d'aubes de turbine; - un premier ensemble de palier (54, 56) disposé à une extrémité axiale du rotor intérieur (26, 27) pour monter à rota- tion le rotor intérieur (26, 27) sur la structure fixe (52); et - un second ensemble de palier (62, 64) disposé entre le rotor intérieur (26) et le rotor extérieur (28) pour monter à rotation le rotor extérieur concentriquement par rapport au rotor intérieur selon un axe de rotation omunn découplé de la struc- ture fixe (52). 2644 5 15 2. Turbine de puissance selon la reverication 1, caractxrisée en ce que le rotor intérieur (26, 27) compren une structure support (50) dirigée vers l'avant disposée de façon concentrique par rapport à la structure fixe (52), le premier ensemble de palier (54, 56) comprenant: - une première butée annulaire (54) disposée entre la structure fixe (52) et la structaure support avant (50) du rotor intérieur (26, 27}; et - au moins un premier roulement à rouleaux (56) dis- posé entre la structure fixe (52) et la structure support avant (50); et le second élément de palier comprenant: - une seconde butée annulaire (62) disposée entre les rotors intérieur et extérieur; et - au moins un second roulement à rouleaux (64) disposé entre les prnemière et secrnde butées annulaires (54) et (62). 3. Turbine de puissance selon la revendication 1, caractérisée en oe qu'une partie du rotor intérieur et une partie du rotor extérieur s'étendent longitudinalement à l'arrière du premier ensemble de palier (54, 56) et sont disposées en porte- à-faux à l'arrière de oe premier ensemble de palier. 4. Turbine de puissanoe selon la revendication 2, caractérisée en oe qu'elle comprend en outre des troisième et quatrième rangées double de turbine couplées respectivement aux rotors intérieur et extérieur et s'étendant dans le conduit d' écoulement (42) les troisième et quatrième rangées d'aubes de turbine étant disposées longitudinalement à l'arrière du premier ensemble de palier (54, 56). 5. Turbine de puissarnce pour moteur à turbine à gaz caractérisée en oe qu'elle oemprend: - une structure fixe (52); - un rotor coaxial à la structure fixe; - un conduit d'écoulement de gaz annulaire (42) adja- oent et coaxial au rotor permettant le passage d'un courant gazeux à haute énergie (44) à travers le mateur; - un certain nomnbre de rangées annulaire d'aubes de turbine reliées au rotor et s'étendant dans le conduit d'écoule- ment (42) pour transformer de l'énergie du courant gazeux (44) en un mouvement du rotor; et - un ensemble de palier permettant le montage à rota- tion d'une partie avant (50) du rotor sur la structure fixe (52), la partie arrière du rotor située à l'arrière de l'ensemble de palier (54, 56) étant disposée en porte-à-faux. 6. Turbine de puissance selon la reverxndication 4, caractérisée en ce qu'au moins une rangée d'aubes de turbine est disposée à l'arrière de l'ensemble de paliers (54, 56). 7. Turbine de puissance pour moteur à turbine à gaz cmpxrenant des premier et second rotors coaxiaux tournant en sens contraire montés à rotation sur une structure fixe oentrée sur un axe longitudinal (58), caractérisée en oe qu'elle comprend un prnemier ensemble de palier (54, 56) permettant le montage à rota- tion du premier rotor (26, 27) sur la structure fixe (52); et un second ensemble de palier (62, 64) pour le montage à rotation du secxond rotor (27, 28) seulement sur le premier rotor (26, 27) en crnservant un axe de rotation comiun lorsque la structure fixe (52) subit une flexion par rapport à 1 'axe longi- tudinal (58). 8. Turbine de puissance selon la revendication 7, caractérisée en ce que le premier rotor (26, 27) comprend une structure support avant (50) disposée concentriquement par rapport à la structure fixe (52), le premier ensemble de roule- ment (54, 56) comprenant: - une première butée annulaire (54) disposée entre la structure fixe (52) et la structure support avant (50) du premier rotor; et - au moins un premier roulement à rouleaux (56) disposé entre la structure fixe (52) et la structure support avant (50) et adjaoent à la première butée (54); et le secord ensemble de palier (62, 64) cOprenant: une secdae butée annulaire (62) disposéas entre les preumnier et second rotors tournant en sens inverse; et - au moins un second rouleent à rouleaux (64) disposé entre les prenier et seond rotors tournant en sens inverse et adjacent à la sectde butée 62.