Brevet FR2907840A1 — publié le 20080502

Dispositif de limitation de survitesse de turbine dans une turbomachine La présente invention concerne un dispositif de limitation de survitesse dans une turbomachine telle qu'un turboréacteur d'avion, pour parer à une rupture de l'arbre de turbine, phénomène rarissime mais dont les conséquences peuvent être désastreuses. A la rupture de cet arbre, le rotor de la turbine se retrouve désaccouplé de la soufflante qui limitait sa vitesse de rotation mais les aubes mobiles de la turbine continuent d'être entraînées en rotation par les gaz sortant de la chambre de combustion de la turbomachine. La turbine passe alors en survitesse , ce qui soumet le rotor à des forces centrifuges excessives susceptibles de provoquer son éclatement, avec des risques de perforation du carter externe de la turbine et aussi de la carlingue de l'avion équipé de cette turbomachine. La limitation de survitesse est donc une contrainte impérative à respecter dans les turbomachines. Les dispositifs connus de limitation de survitesse exploitent en général le déplacement vers l'aval du rotor de la turbine qui résulte de la rupture de l'arbre de turbine et de la pression des gaz sur les aubes du rotor. On a ainsi déjà proposé des dispositifs de freinage mécanique du rotor de la turbine, comprenant des moyens portés par le rotor et destinés à venir en appui sur des moyens correspondants du stator de manière à freiner le rotor, suite à son déplacement vers l'aval après la rupture de l'arbre de turbine. On a également proposé de monter les aubes directrices du stator de façon amovible ou basculante pour que le rotor, du fait de son déplacement vers l'aval après la rupture de l'arbre de turbine, vienne s'appuyer sur ces aubes et les fasse basculer sur la trajectoire des aubes mobiles pour les détruire et ainsi ralentir la rotation de la turbine. Cette 2907840 2 solution connue est toutefois relativement complexe et coûteuse. Les dispositifs connus ont l'inconvénient d'être relativement lents, ce qui nuit à leur efficacité. Ceci est particulièrement pénalisant dans le cas des petits moteurs, dont l'inertie plus faible du rotor de turbine induit un 5 risque de départ en survitesse plus rapide. Par ailleurs, les dispositifs nécessitant un contact franc entre des pièces, peuvent se révéler inopérants en cas de rebond du rotor sur une pièce fixe ou en cas d'orbitage de ce rotor. Les dispositifs de freinage fondés sur le frottement entre des pièces 10 ont une efficacité difficilement prévisible du fait qu'ils font intervenir de multiples paramètres incertains tels que la température ou l'effort exercé entre les pièces. En outre, certains dispositifs connus ont l'inconvénient d'augmenter la masse totale de la turbine et de modifier le profil aérodynamique de ses 15 composants au détriment des performances du moteur. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, économique et efficace à ces problèmes, permettant d'éviter les inconvénients de la technique connue. L'invention a aussi pour but de répondre de façon plus satisfaisante 20 aux exigences de fiabilité et de rapidité d'un dispositif de limitation de survitesse d'une turbine dans une turbomachine. Elle propose à cet effet un dispositif de limitation de survitesse de turbine dans une turbomachine en cas de rupture de l'arbre de turbine, comprenant des moyens de cisaillement des aubes mobiles d'au moins un 25 étage de la turbine, caractérisé en ce que ces moyens de cisaillement comprennent des moyens de projection d'une goupille sur le trajet des aubes mobiles, ces moyens de projection étant montés sur un carter de la turbine ou de la turbomachine et commandés par des moyens de détection d'une survitesse de rotation de la turbine ou de détection d'une rupture de 30 l'arbre de cette turbine. Les aubes mobiles interceptées par la goupille sont détruites sous 2907840 3 l'effet de la collision avec cette goupille et leurs fragments sont projetés sur les autres aubes du rotor et sur celles du stator de la turbine et provoquent leur destruction. Le rotor, qui n'est plus entraîné par les aubes, ne risque plus de destruction pour cause de survitesse. 5 L'avantage essentiel de ce dispositif est qu'il n'est pas tributaire du recul du rotor et peut être déclenché sans attendre que ce recul se produise, ce qui garantit une plus grande vitesse de réaction, la rapidité du dispositif ne dépendant plus que du temps de réponse des moyens de projection. De plus, le fonctionnement de ce dispositif ne se trouvera pas 10 pénalisé, contrairement à certains dispositifs antérieurs, en cas de rebond de la turbine ou d'orbitage du rotor. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les moyens de projection comprennent une capsule de matière explosive logée dans un cylindre apte à guider la goupille lors de l'explosion de la capsule. 15 Avantageusement, des pastilles d'une matière susceptible de générer un gaz sous l'effet d'une détonation, telle par exemple de l'acide de sodium, sont placées à proximité de la capsule de matière explosive dans ce cylindre. Ainsi, c'est le souffle produit par l'explosion de la capsule et, le cas 20 échéant, par le dégagement gazeux produit par les pastilles précitées, qui projette la goupille sur le trajet des aubes pour les détruire. L'utilisation de pastilles d'acide de sodium, déjà connue dans le domaine des coussins gonflables d'automobiles, permet une vitesse de réaction optimale. En variante, il est possible de recourir à une amenée de gaz sous 25 pression prélevé sur le moteur ou fourni par une réserve de gaz sous pression. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le cylindre est monté à l'extérieur du carter dans l'alignement d'un orifice de ce carter débouchant sur le trajet des aubes mobiles, et comprend une extrémité 30 ouverte par laquelle il est fixé sur le carter, son autre extrémité étant fermée et contenant la capsule de matière explosive. 2907840 4 La goupille s'étend entièrement à l'intérieur du cylindre lorsqu'elle est en condition de repos, avant détection d'un départ en survitesse ou avant détection d'une rupture de l'arbre de turbine basse pression, et elle comporte un corps cylindrique dont une extrémité est guidée en 5 coulissement dans l'extrémité du cylindre fixée sur le carter, l'autre extrémité du corps cylindrique comportant une tête dont le diamètre est supérieur à celui du corps cylindrique ainsi qu'au diamètre de l'extrémité ouverte du cylindre, de manière à former un organe de retenue de la goupille dans le cylindre. 10 Ainsi, en condition de repos, la goupille ne perturbe en rien le flux des gaz dans la turbine et ne pénalise donc pas les performances du moteur. En cas de détection d'un départ en survitesse ou d'une rupture de l'arbre de turbine basse pression, la poussée de l'explosion et des gaz 15 libérés s'exerce sur la tête de la goupille et pousse violemment la goupille en coulissement au travers de l'extrémité ouverte du cylindre, jusqu'à ce que la tête de la goupille vienne buter contre le bord de l'ouverture du cylindre, retenant ainsi la goupille dans le cylindre. Avantageusement, l'orifice du carter est fermé par un opercule de 20 matière résistant aux températures de fonctionnement de la turbomachine et propre à être rompue par la goupille en cas de détection d'un départ en survitesse, la goupille comportant de préférence une pointe apte à percer cet opercule, formée à l'extrémité du corps cylindrique opposée à la tête. Grâce à cet opercule, la goupille est bloquée à l'intérieur du cylindre 25 en position de repos, et seule l'explosion et la libération de gaz, consécutives à une détection de départ en survitesse ou de rupture de l'arbre de turbine basse pression, peuvent, par la violente poussée exercée sur la goupille, amener celle-ci à percer l'opercule pour sortir du cylindre. En outre, cet opercule interdit aux gaz passant dans la turbine de pénétrer 30 à l'intérieur du cylindre contenant la goupille et la capsule explosive. Le cylindre comprend avantageusement un rebord latéral de fixation 2907840 5 sur le carter et des moyens de connexion électrique de la charge explosive aux moyens de détection d'une survitesse de rotation de la turbine ou d'une rupture de l'arbre de cette turbine. La présente invention concerne également une turbomachine, telle 5 qu'un turboréacteur d'avion, équipée d'un dispositif de limitation de survitesse du type décrit ci-dessus. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : 10 la figure 1 est une demi-vue schématique partielle en coupe axiale d'une turbine basse-pression de turboréacteur équipée d'un dispositif selon l'invention ; la figure 2 est une vue schématique agrandie d'une partie de la figure 1 illustrant le dispositif de limitation de survitesse de la turbine selon 15 l'invention en position de repos ; la figure 3 est une vue semblable à la figure 2 illustrant le dispositif de limitation de survitesse de la turbine en position active. On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente un rotor de turbine basse-pression comprenant quatre disques 12, 14, 16, 18 assemblés 20 axialement les uns aux autres par des brides annulaires 20 et portant des aubes 22 qui sont montées par des pieds d'aube à leur extrémité radialement interne dans des rainures de la périphérie extérieure des disques 12, 14, 16, 18. Le rotor est relié à l'arbre de turbine 24 par l'intermédiaire d'un cône d'entraînement 26 fixé au moyen d'une bride 25 annulaire 28 entre les brides annulaires 20 des disques 14 et 16. Entre les étages d'aubes mobiles 22 se trouvent des étages d'aubes fixes 30 qui sont montées par des moyens appropriés à leurs extrémités radialement externes sur un carter 32 de la turbine basse-pression. Un dispositif 40 de limitation de vitesse de la turbine selon l'invention 30 est monté sur la surface extérieure d'un carter d'échappement 34 auquel est lié le carter de turbine 32. Le dispositif 40 ainsi positionné est associé 2907840 6 au dernier étage de la turbine, mail il est possible de l'utiliser pour n'importe quel étage. La turbine est en outre équipée de moyens de détection d'une survitesse de rotation du rotor ou d'une rupture de l'arbre 24 de cette 5 turbine, représentés schématiquement en 36. Comme on le voit mieux en figure 2, le dispositif de limitation de survitesse 40 comprend une goupille 42 en métal très dur logée dans un cylindre 44, qui comporte à son extrémité appliqué sur le carter 34 un rebord latéral 46 fixé par une ou des vis 48 à une platine 50 formée sur la 10 surface extérieure du carter 34, le cylindre 44 étant ouvert à son extrémité fixée sur le carter et fermé à son autre extrémité. La goupille 42 comprend un corps cylindrique 52 comportant respectivement, à ses deux extrémités, une pointe 56 et une tête 54, cette dernière présentant un diamètre supérieur à celui du corps cylindrique 52, 15 de manière à former un organe de retenue de la goupille dans le cylindre. La tête 54 est au voisinage de l'extrémité fermée du cylindre 44 tandis que la pointe 56 fait face à son extrémité ouverte. Une charge explosive représentée schématiquement en 38 et éventuellement des pastilles d'acide de sodium ou d'une autre matière 20 génératrice de gaz sont placées à l'intérieur du cylindre, dans l'espace libre 58 entre la tête 54 de la goupille et l'extrémité fermée du cylindre. Le cylindre 44 est monté dans l'alignement d'un orifice 60 du carter 34 qui débouche sur le trajet des aubes 22 du dernier étage du rotor de la turbine. Cet orifice 60 a un diamètre légèrement supérieur à celui du 25 corps cylindrique 52, et inférieur à celui de la tête 54. Dans la position de repos représentée à la figure 2, la goupille 42 est logée entièrement dans le cylindre 44 et l'orifice 60 est obstrué par un opercule d'une matière, telle qu'une résine ou un mastic, résistant aux températures de fonctionnement de la turbomachine et propre à être 30 perforée par la pointe 56 de la goupille 42 sous l'effet d'une forte poussée. 2907840 7 Des moyens de connexion électrique 64 sont montés sur un support latéral 62 lié au cylindre 44 et au rebord latéral de fixation 46, pour permettre la commande de la charge explosive par les moyens 36 de détection d'une survitesse de rotation de la turbine ou d'une rupture de 5 l'arbre 24 de cette turbine. Le dispositif décrit ci-dessus fonctionne de la façon suivante : lorsqu'un départ en survitesse du rotor de la turbine est détecté, suite à une rupture de l'arbre de turbine 24, ou lorsqu'une rupture de l'arbre de turbine 24 est détectée, les moyens de détection 36 engendrent un 10 signal appliqué aux moyens de connexion 64 pour déclencher l'explosion de la charge explosive 38, ce qui provoque une libération brutale d'azote par les pastilles d'acide de sodium. Le signal peut aussi déclencher l'ouverture d'une vanne entraînant une alimentation en gaz sous pression provenant d'un réservoir de stockage ou prélevé sur le moteur. 15 Sous l'effet de la forte poussée exercée par les gaz sur sa tête 54, la goupille perce alors par sa pointe 56 l'opercule obstruant l'orifice 60, et est projetée vers l'intérieur de la turbine à travers l'orifice 60, jusqu'à ce que la tête 54 vienne buter contre le bord de l'orifice 60, comme montré en figure 3. 20 Une partie de la goupille 42 se trouve alors sur le trajet des aubes mobiles 22 précitées, de telle sorte que ces aubes viennent se briser contre elle. La destruction des aubes mobiles empêche tout risque de survitesse du rotor de la turbine. 25 Le temps de réponse du dispositif selon l'invention est très court : environ 40 millisecondes (10 ms pour la détection de la survitesse et 30 ms pour l'explosion de la charge et la projection de la goupille), alors que le temps de réponse des dispositifs connus de la technique antérieure est supérieur à 100 ms. REVENDICATIONS 1. Dispositif (40) de limitation de survitesse dans une turbomachine en cas de rupture de l'arbre de turbine (24), comprenant des moyens de cisaillement des aubes mobiles (22) d'au moins un étage de la turbine, caractérisé en ce que ces moyens de cisaillement comprennent des moyens de projection (38, 44) d'une goupille (42) sur le trajet des aubes mobiles (22), ces moyens de projection étant montés sur un carter (32, 34) de la turbine ou de la turbomachine et commandés par des moyens (36) de détection d'une survitesse de rotation de la turbine ou de détection d'une rupture de l'arbre de cette turbine. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de projection comprennent une capsule (38) de matière explosive logée dans un cylindre (44) de guidage de la goupille (42). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le cylindre (44) contient également des pastilles d'une matière de génération de gaz, telle par exemple que de l'acide de sodium. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de projection de la goupille (42) sont reliés à une source de gaz sous pression. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le cylindre (44) est monté à l'extérieur du carter (32, 34) dans l'alignement d'un orifice (60) de ce carter débouchant sur le trajet des aubes mobiles (22), et comprend une extrémité ouverte par laquelle il est fixé sur le carter, son autre extrémité étant fermée et contenant la capsule (38) de matière explosive. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'en condition de repos avant détection d'un départ en survitesse, la goupille (42) est logée entièrement à l'intérieur du cylindre (44) et comporte une tête (54) située du côté de l'extrémité fermée du cylindre et reliée à un corps cylindrique (52) ayant un diamètre inférieur à celui de la tête (54), 2907840 9 l'extrémité du corps opposé à la tête (54) étant guidée en coulissement dans l'extrémité du cylindre (44) fixée sur le carter (32, 34). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la tête (54) de la goupille (42) a un diamètre supérieur à celui de l'extrémité ouverte du 5 cylindre (44) et forme un organe de retenue de la goupille dans le cylindre. 8. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que l'orifice (60) du carter (32, 34) est fermé par un opercule de matière résistant aux températures de fonctionnement de la turbomachine et 10 propre à être rompue par la goupille (42) en cas de détection d'un départ en survitesse. 9. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que la goupille (42) comporte une pointe (56) formée à l'extrémité de son corps cylindrique en regard de l'orifice (60) du carter. 15 10. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que le cylindre (44) comprend, à son extrémité ouverte, un rebord latéral (46) de fixation au carter. 11. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 10, caractérisé en ce que le cylindre (44) comporte un support (62) de moyens de connexion 20 électrique (64) de la charge explosive (38) aux moyens (36) de détection de survitesse de rotation de la turbine ou de rupture de l'arbre (24) de cette turbine. 12. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur d'avion, caractérisée en ce qu'elle est équipée d'un dispositif de limitation de survitesse décrit dans 25 l'une des revendications précédentes.