Brevet FR2773586A1 — publié le 19990716

TURBOMACHINE À FREINAGE MUTUEL D'ARBRES CONCENTRIQUES DESCRIPTION L'invention a trait à une turbomachine dont deux arbres concentriques sont soumis à un freinage mutuel en cas d'avarie. Un exemple concret d'une telle situation peut être expliqué avec la figure 1 qui illustre un moteur d'avion d'un modèle très répandu de nos jours. Le moteur comprend un rotor 1 qu'entoure un stator 2, et une veine principale 3 de section annulaire les sépare. La veine principale 3 est occupée par des étages d'aubes alternativement solidaires du rotor et du stator pour accélérer et comprimer les gaz avant de bénéficier de l'énergie qu'ils libèrent en se détendant après la combustion du carburant: on trouve ainsi, d'avant en arrière, les aubes d'un compresseur à basse pression 4, les aubes d'un compresseur à haute pression , une chambre de combustion 6, les aubes d'une turbine à haute pression 7 et les aubes d'une turbine à basse pression 8. Le rotor 1 est en réalité composé de deux parties: un corps de rotor à haute pression 9 porte les aubes mobiles du compresseur à haute pression 5 et de la turbine à haute pression 7, et un corps de rotor à basse pression 10 porte les aubes mobiles du compresseur à basse pression 4 et de la turbine à basse pression 8. De plus, les corps de rotor à haute et basse pression 9 et 10 comprennent respectivement un arbre à haute pression 11 et un arbre à basse pression 12 qui permettent de les soutenir à l'aide de paliers liés au stator 2: on trouve d'avant en arrière un palier avant 13 pour l'arbre à basse pression 12, un palier avant 14 pour l'arbre à haute pression 11, un palier arrière 15 pour l'arbre à haute pression 11 et un palier arrière 16 pour l'arbre à basse pression 12. Ces paliers comprennent comme élément actif un ou deux roulements à billes ou à rouleaux qui permettent aux arbres 11 et 12 de tourner à grande vitesse et indépendamment l'un de l'autre; les arbres 11 et 12, concentriques, sont entièrement séparés mais on remarque qu'ils ne sont séparés que par un petit jeu sur une zone de proximité 17 assez longue située sensiblement au droit du palier avant 14 de l'arbre à haute pression 11. De nombreux moteurs modernes ont un taux de compression élevé et un grand taux de dilution des gaz de combustion. Ils sont alors munis d'une veine auxiliaire 18 entourant la veine principale 3 et dont l'air qui la parcourt se mêle aux gaz de combustion à l'arrière de la turbine à basse pression 8. L'air qui parcourt cette veine auxiliaire 18 est accéléré par les aubes d'une soufflante 19 solidaire du corps de rotor à basse pression 10 et qui s'étend en avant du compresseur à basse pression 4. Les aubes de la soufflante 18 ont un très grand diamètre et une inertie conséquente. Elles sont en outre les plus exposées à la rupture quand un corps étranger tel qu'un oiseau entre par accident dans le moteur. Un balourd important apparaît sur le corps de rotor à basse pression 10 dès qu'une aube de la soufflante 19 est rompue, ce qui produit sur lui de très importants efforts de nature vibratoire, qui sont transmis à l'arbre à basse pression 12 et au stator 2 par l'intermédiaire du palier avant 13. Des dommages produits par ces efforts excessifs sont susceptibles de se propager dans tout le moteur. C'est pourquoi on a prévu parfois que le palier avant 13 de l'arbre à basse pression 12 serait fusible en cas d'une telle avarie, c'est-à-dire qu'il casserait ou céderait d'une autre manière. Plusieurs genres de tels paliers cassants sont connus dans l'art, par exemple dans les brevets américains 5417501 et 5433584; ils comprennent en général une amorce de rupture sur le stator 2 à proximité du palier avant 13, et qui sépare le palier avant 13 du reste du stator 2; il s'agit en général d'une portion de faible épaisseur de la structure du stator 2 ou de boulons de liaison de petit diamètre et dont la tige filetée peut être entaillée. L'amorce de rupture est calculée pour se déchirer ou se rompre quand le balourd apparaît, de sorte que le palier avant 13 se détache du stator 2 et cesse de soutenir l'arbre à basse pression 12, qui devient alors libre d'osciller en basculant autour du palier arrière 16, sans plus produire d'efforts excessifs sur le stator 2. Le pilote prévenu de l'avarie arrête entre-temps le moteur, ce qui permet aux arbres 11 et 12 de ralentir et de s'arrêter progressivement. La réparation ultérieure du moteur sera limitée, peut-on espérer, au remplacement des aubes endommagées de la soufflante et du palier cassant. Des dommages supplémentaires et beaucoup plus importants peuvent cependant apparaître à cause du basculement de l'arbre à basse pression 12 autour du palier arrière 16, si les arbres 11 et 12 se touchent à la zone de proximité 17, comme le montre la figure 2, car un échauffement considérable serait alors produit par le frottement qui résulte des vitesse de rotation à la fois très différentes et très élevées ( par exemple 4500 t/mn et 17000 t/mn) de ces deux arbres 11 et 12. La dissipation de chaleur concentrée sur une zone de contact 20 de faible extension angulaire sur la circonférence des arbres serait telle que l'arbre le plus lent, à savoir l'arbre à basse pression 12, pourrait être endommagé à cet endroit, passer à un état métallurgique o il serait moins résistant ou même être rompu ou soudé par friction à l'arbre à haute pression 11. On connaîtrait alors le risque de rupture de l'arbre à basse pression et la perte de la soufflante, ou, au moins d'avoir l'obligation de remplacer l'arbre à basse pression 12 ou même les deux arbres à la réparation, quoique l'arbre à haute pression 11 eût paru moins exposé à cause de sa plus grande vitesse de rotation, qui le fait défiler devant la zone de contact 21 et aide à répartir l'échauffement sur sa circonférence. C'est pour obvier à ces risques de dommages provenant du frottement sur la zone de proximité 17 des arbres 11 et 12 que l'invention fut conçue. Elle consiste, comme on l'illustre à la figure 3, à couvrir l'arbre le plus lent, ici l'arbre à basse pression 12, d'un revêtement 22 présentant des capacités d'usinage par meulage ou équivalent et à faible conductivité thermique sur sa face externe, dirigée vers l'arbre à haute pression 11 plus rapide, à l'endroit de leur zone de proximité 17. Des compositions ou matières convenables pour cette couche sont la zircone yttriée, la zircone, l'alumine, les borures ou les carbures. Quand les arbres 11 et 12 frottent l'un sur l'autre à la suite d'une avarie ayant rompu le palier avant 13, le frottement s'exerce entre l'arbre à haute pression 11 et le revêtement 22. Comme ce dernier conduit mal la chaleur, l'arbre à basse pression 12 n'est que peu échauffé; et la facilité d'usinage par meulage du revêtement 22 contribue à égaliser rapidement les vitesses des arbres 11 et 12 et à interrompre ainsi l'échauffement. Enfin, les dégâts éventuellement produits par le frottement s'exercent en dégradant soit le revêtement 22, soit l'arbre à haute pression 11; l'arbre à basse pression 12, assurant le maintien de la soufflante, étant la pièce de sécurité, reste intact. Une amorce de rupture du stator 2 près du palier avant 13 a été illustrée et porte la référence 23: il s'agit d'un amincissement local du stator 2. Pour résumer, l'invention concerne une turbomachine comprenant un arbre interne et un arbre externe concentriques tournant à des vitesses différentes, un balourd susceptible d'apparaître sur l'un des arbres par suite d'une avarie, l'arbre au balourd étant soutenu par un palier cassant quand le balourd apparaît à une zone proche du balourd et par un palier résistant à une zone éloignée du balourd, et elle est caractérisée en ce que celui des arbres qui tourne à plus petite vitesse est couvert d'un revêtement facilement usiné par meulage ou par un procédé équivalent et à faible conductivité thermique à une zone éloignée du palier résistant, sur une face dirigée vers celui des arbres qui tourne à plus grande vitesse. On récapitule ci-dessous la liste des figures utilisées pour commenter cette invention qui, on l'aura compris, peut concrètement être mise en oeuvre de bien d'autres façons: * la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une turbomachine sur laquelle l'invention est implantée, * la figure 2 illustre une situation d'avarie, * et la figure 3 est un agrandissement de la figure 1 et montre la zone de présence de l'invention. REVENDICATIONS 1. Turbomachine comprenant un arbre interne (12) et un arbre externe (11) concentriques tournant à des vitesses différentes, un balourd susceptible d'apparaître sur l'un des arbres (12) par suite d'une avarie, l'arbre au balourd étant soutenu par un palier cassant quand le balourd apparaît à une zone proche du balourd et par un palier (16) résistant à une zone éloignée du balourd, caractérisée en ce que celui des arbres (12) qui tourne à plus petite vitesse est couvert d'un revêtement (22) présentant des capacités d'usinage par meulage ou équivalent et à faible conductivité thermique à. une zone (17) éloignée du palier résistant, sur une face dirigée vers celui des arbres (11) qui tourne à plus grande vitesse. 2. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que le revêtement a une composition choisie parmi la- zircone yttriée, la zircone, l'alumine, les borures et les carbures.