Brevet FR2728619A1 — publié le 19960628

BOUCLIER DE PROTECTION D'UNE TURBOHACHINE DESCRIPTION L'invention a pour sujet un bouclier de protection d'une turbomachine. Il s'agit d'une enveloppe disposée autour d'un stator, plus précisément devant une zone aubagée d'un rotor qu'entoure le stator, c'est-à-dire devant une section de compresseur ou de turbine dans la machine, et sa fonction est d'arrêter les morceaux ou les débris d'aubes ou de rotor qui seraient projetés vers lui sous l'action des forces centrifuges après une rupture due à un accident. Le brevet américain 4 452 563 décrit un bouclier formé d'un réseau continu de bandes fibreuses drapées sur la face externe, opposée au rotor, du stator. Cette conception parait relativement peu efficace car les fibres devraient se déchirer assez aisément et ne donneraient donc pas une protection suffisante. On pourrait aussi poser des couches de matière en nid d'abeilles sur cette face externe du stator, mais, malgré l'accroissement d'absorption d'énergie qu'une telle structure offrirait pour ralentir ou arrêter les projectiles, cette absorption serait localisée à l'endroit du choc et le bouclier serait transpercé ici aussi assez facilement. L'invention repose sur l'idée qu'il est avantageux de faire participer tout le bouclier à l'absorption du choc, et elle se matérialise par un bouclier sous forme d'un anneau ductile séparé du stator et relié à la turbomachine par des moyens d'attache calculés pour se rompre en deçà d'une limite de rupture du bouclier soumis à un choc. Cette caractéristique permet, comme on le verra, de transformer beaucoup mieux l'énergie SP 9494 JCI cinétique des projectiles en énergie de déformation mécanique absorbée par le bouclier, qui de plus n'est normalement pas crevé ou transpercé et isole donc toujours les pièces extérieures de la turbomachine des projectiles. L'invention va maintenant être décrite à l'aide des figures suivantes, annexées à titre illustratif et non limitatif, qui illustrent ses différents aspects: * la figure 1 est une vue générale de la position du bouclier dans la machine, * la figure 2 et la figure 3 présentent deux systèmes d'attache du bouclier, * et la figure 4 représente l'état du bouclier après un choc. La figure 1 représente une portion de turbomachine qui comprend un rotor 1, un stator 2 sous forme d'une enveloppe entourant le rotor 1 et un carénage extérieur 3 entourant le stator 2; le stator 2 possède un évasement 4 circulaire et plan qui le termine en amont, et qui se termine lui-même par une bride 5 ajustée sur la face interne du carénage extérieur 3 et rivetée à lui. Le rotor 1 et le stator 2 portent des étages alternés d'aubes respectivement mobiles 6 et fixes 7, comme il est habituel pour constituer des turbines et des compresseurs. Un espace annulaire clos 8 existe entre le stator 2 et le carénage extérieur 3 en aval de l'évasement 4. Le bouclier 9 l'occupe et s'étend en son milieu: cela signifie qu'il est séparé radialement du carénage extérieur 3 comme du stator 2, sans forcément être à égale distance d'eux. Le bouclier 9 est un anneau continu de matière ductile, métallique ou autre, dont l'avantage est d'absorber de grandes énergies de SP 9494 JCI choc. Il est maintenu par des moyens d'attache qui l'unissent à l'évasement 4. Bien des conceptions sont possibles, et deux seront illustrées. Sur la figure 2, le bouclier 9 a une extrémité recourbée en collerette 10 plane et circulaire dans des perçages desquels on a engagé des vis 11 d'orientation longitudinale dont les extrémités sont retenues dans des taraudages 12 percées dans l'évasement 4. Les vis 11 comprennent une partie amincie 13 de diamètre bien déterminé, constituant une amorce de rupture, à la jonction de limite entre l'évasement 4 et la collerette 10. La collerette 10 est remplacée par des pattes 14, dans le prolongement du bouclier 9, mais sensiblement plus minces que lui, dans la réalisation de la figure 3. L'évasement 4 est muni d'une collerette circulaire et continue, prolongeant le bouclier 9 et presque jointive à lui, sur laquelle les pattes 14 reposent. Des vis 16, cette fois orientées en direction radiale, unissent les pattes 14 à la collerette 15. Une amorce de rupture est aussi prévue, sous forme d'encoches 19 qui étrécissent les pattes 14 à la limite du bouclier 9 et de la collerette 15. La figure 4 illustre ce qui peut se produire après un choc dû à un morceau de rotor 17 accidentellement détaché en fonctionnement, tel qu'un fragment de disque de turbine. La force centrifuge le projette à grande vitesse vers l'extérieur: il crève le stator 2 puis bosselle le bouclier 9. La déformation plastique qui se traduit par l'apparition de la bosse 18 sur la partie du bouclier 9 qu'il atteint entraine, si l'énergie cinétique du morceau de rotor 17 le permet, une destruction partielle ou totale des moyens d'attache. Dans la réalisation de la figure 2, la partie amincie 13 des vis 12 est cisaillée; dans celle de la figure 3, les pattes 14 sont rompues, entre les SP 9494 JCI encoches 19, ici encore par cisaillement. On voit qu'on aurait pu aussi, d'une façon générale, utiliser toutes les conceptions connues d'éléments de rupture, aussi bien des vis, des boulons, des goujons, des rivets ou d'autres moyens qui sont sectionnés, déchirés ou arrachés en traction, en compression ou en cisaillement. Les éléments d'attache rompus sont d'abord ceux qui sont proches de la bosse 18. Si le choc est suffisamment violent, tous les éléments d'attache peuvent être touchés et le bouclier 9 devient alors libre, mais comme on a pris soin de le concevoir avec une résistance au transpercement suffisamment élevée, il ne s'ouvre pas sous le choc et continue de protéger le carénage extérieur 3 du contact direct du morceau de rotor 17, même s'il le heurte ou roule ensuite sur lui. Cette résistance dépend essentiellement de l'épaisseur du bouclier 9 et de la résistance à la rupture du matériau qui le forme. Le comportement et les avantages de l'invention peuvent être assez facilement saisis. Comme le bouclier 9 ne repose directement sur aucune surface, il peut absorber de l'énergie en se déformant librement sur une grande partie de sa circonférence, ou même la totalité de celle-ci. L'énergie totale que le système peut capter est aussi augmentée de l'énergie de rupture des moyens d'attache, en même temps que cette rupture autorise une déformation plus étendue du bouclier 9 et accroit donc sa capacité d'absorption d'énergie. Enfin, si le bouclier 9 est complètement détaché, il est projeté contre le carénage extérieur 3, mais la figure 4 représente une situation spécialement défavorable, car un seul gros morceau arraché du rotor 1 intervient dans l'accident. En pratique, il est fréquent que plusieurs morceaux plus ou moins de même poids soient SP 9494 JCI projetés sur des parties différentes du bouclier 9, avec la conséquence favorable que leur énergie cinétique est plus complètement absorbée (leurs quantités de mouvement s'équilibrant) et que le bouclier 9 est projeté à une vitesse beaucoup plus faible qui réduit encore les risques de voir le canérage extérieur 3 endommagé. Même si l'énergie cinétique des projectiles n'est qu'imparfaitement transformée et qu'une partie notable est communiquée au bouclier 9 quand il est détaché, on doit tout de même espérer un ralentissement sensible de la masse mobile et des dommages moindres au carénage extérieur 3 grâce à la régularité de forme et à la rotondité du bouclier 9. SP 9494 JCI REVENDICATIONS 1. Bouclier (9) de protection d'une turbomachine disposé autour d'un stator (2) et devant une zone aubagée d'un rotor (1) qu'entoure le stator (2), caractérisé en ce qu'il consiste en un anneau ductile séparé du stator et relié à la turbomachine par des moyens d'attache (11, 14) calculés pour se rompre en deçà d'une limite de rupture du bouclier (9) soumis à un choc. 2. Bouclier de protection d'une turbomachine selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'attache sont des vis (11), des goujons ou des pions de cisaillement ou de traction. 3. Bouclier de protection d'une turbomachine selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'attache comprennent des pattes (14) prolongeant le bouclier. 4. Bouclier de protection d'une turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens d'attache comprennent une portion de moindre résistance (13) munie d'amorces de rupture (19). 5. Bouclier de protection d'une turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il s'étend au milieu d'un espace annulaire (8) compris entre le stator (2) et un carénage extérieur (3) de la turbomachine. SP 9494 JCI