Brevet FR2916482A1 — publié le 20081128

Système de freinage en cas de rupture d'arbre de turbine dans un moteur à turbine à gaz. La présente invention concerne le domaine des moteurs à turbine à gaz, en particulier des turboréacteurs multiflux, et porte sur un système permettant en cas de rupture d'un arbre de la machine d'en obtenir l'arrêt dans un délai aussi bref que possible. Dans un turboréacteur multiflux à turbo soufflante, cette dernière est entraînée par la turbine basse pression. Lorsque l'arbre reliant le rotor de soufflante à celui de la turbine se rompt, le couple résistant sur la turbine est brutalement annulé alors que le flux de gaz moteur continue à transmettre son énergie au rotor. Il s'ensuit une augmentation rapide de la vitesse de rotation du rotor qui est susceptible d'atteindre sa limite de résistance et d'éclater avec les conséquences catastrophiques qui en résultent. On a proposé d'interrompre l'arrivée de carburant alimentant la chambre de combustion afin d'éliminer la source d'énergie par laquelle le rotor est accéléré. Une solution consiste à surveiller la vitesse de rotation des arbres par des moyens de mesure redondants et à commander l'interruption de l'alimentation en carburant lorsqu'une survitesse est détectée. Selon le brevet US6494046, on mesure les fréquences de rotation aux deux extrémités de l'arbre au niveau des paliers et on les compare en continue et en temps réel. Des moyens assurant le freinage du rotor lorsque survient un tel incident ont aussi été proposés. Le déplacement axial du rotor consécutif à la rupture de l'arbre déclenche l'actionnement de mécanismes visant à en dissiper l'énergie cinétique. Il s'agit par exemple d'ailettes fixes de la roue adjacente de distributeurs qui sont basculées en direction des aubes du rotor de manière à venir s'interposer entre elles et couper leur trajectoire. L'énergie cinétique est dissipée par le frottement des pièces entre elles, leur déformation, voire leur rupture. Une solution de ce type est décrite dans la demande de brevet EP 1640564 au nom du présent déposant. Selon cette solution des moyens de destruction sont montés sur une roue fixe adjacente à une roue de la turbine à freiner et sont agencés pour cisailler les échasses des aubes du rotor amont en début de déplacement vers l'aval du rotor. Cette solution quoique efficace, entraîne des coûts de réparation importants en raison des dégâts occasionnés sur les aubages. La présente invention vise une solution simple, efficace et peu onéreuse pour réduire la vitesse de rotation, dans un moteur à turbine à gaz, d'une turbine comprenant un rotor entraînant un arbre et mobile en rotation à l'intérieur d'un stator, en cas de rupture dudit arbre. Conformément à l'invention le dispositif de freinage est caractérisé par le fait qu'il comprend un premier organe pourvu d'au moins un élément abrasif et un second organe comprenant un élément en forme d'anneau réalisé en un matériau susceptible d'être érodé par l'élément abrasif, les deux organes étant solidaires l'un du rotor, l'autre du stator et venant en contact par déplacement axial du rotor après rupture de l'arbre, l'élément abrasif du premier organe érodant l'élément en forme d'anneau du second organe La solution de l'invention consiste donc à dissiper l'énergie du rotor entre deux organes qui sont agencés spécifiquement pour le freinage. Ces moyens permettent d'augmenter la surface de contact en fonction de l'objectif visé et d'assurer un coefficient de frottement important. L'avantage est aussi de permettre de réduire le régime maximal auquel le rotor doit résister sans éclater. Ce régime est celui qui est susceptible d'être atteint lors de la rupture de l'arbre. De préférence, le premier organe est solidaire du stator et le second organe est solidaire du rotor ; plus particulièrement le rotor comprenant au moins un disque avec une jante, le second organe est solidaire de la jante et le premier organe est solidaire du stator en aval de la jante. En disposant les organes de freinage en dehors de la veine de gaz, on préserve les aubes et on peut localiser la zone où se produit cette dissipation d'énergie. Pour un moteur comprenant un carter d'échappement, le second organe est avantageusement solidaire du dernier étage de turbine du rotor et le premier organe du carter d'échappement. Conformément à un mode de réalisation le premier organe comprend une pluralité d'éléments abrasifs répartis autour de l'axe du moteur. Les éléments abrasifs consistent en des granulats abrasifs rapportés, par frittage par exemple, sur une toile, par exemple en fibres de verre, imprégnée de résine résistante à haute température. L'invention porte également sur un moteur à turbine à gaz à double corps avec une section de turbine basse pression dont ladite section est équipée d'un tel dispositif de freinage. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description d'un mode de réalisation non limitatif de l'invention en référence aux dessins sur lesquels La figure 1 montre une demi-coupe axiale de la section de turbine d'un moteur à turbine à gaz double corps, La figure 2 montre un dispositif de freinage aménagé sur la section de turbine basse pression du moteur à turbine à gaz. On voit sur la figure 1, une partie de la section de turbine 1 d'un moteur à turbine à gaz. Dans un moteur à double corps et double flux, la section de turbine 1 comprend une turbine haute pression en amont et non visible sur la figure, qui reçoit les gaz chauds de la chambre de combustion. Les gaz après avoir traversé l'aubage de la roue de turbine haute pression sont dirigés, à travers une roue de distributeurs 3 fixes, sur la section de turbine basse pression 5. Cette section 5 est composée d'un rotor 6 formé ici en tambour de l'assemblage de plusieurs disques 61, 62, 63 aubagés, trois dans cet exemple. Les aubes, comprenant une pale et un pied, sont montées, généralement individuellement, à la périphérie des disques dans des logements ménagés sur la jante. Des roues de distributeurs 7 fixes sont interposées entre les étages de turbine, chacune pour orienter convenablement le flux gazeux par rapport à l'aubage mobile aval. Cet ensemble forme la section 5 de turbine basse pression. Le rotor 6 de la turbine basse pression est monté sur un arbre 8, concentrique à l'arbre haute pression 9, qui se prolonge axialement vers l'avant du moteur où il est solidaire du rotor de soufflante. L'ensemble tournant est supporté par des paliers appropriés situés dans les parties avant et arrière du moteur. Sur la figure 1, on voit l'arbre 8 supporté par un palier 81, dans le carter structural, désigné carter d'échappement 10. Le carter d'échappement est pourvu de moyens d'attaches pour un montage sur un. aéronef. Lorsque l'arbre 8 se rompt accidentellement, l'ensemble mobile de la turbine basse pression se déplace vers l'arrière, vers la droite sur la figure, en raison de la pression exercée par les gaz. Par ailleurs, il est accéléré en rotation en raison de la disparition de son couple résistant combinée à la poussée tangentielle que les gaz chauds continuent d'exercer sur les aubages mobiles pendant leur traversée de la turbine. Pour empêcher, conformément à l'invention, que le rotor de turbine s'emballe et que sa vitesse atteigne le régime maximal autorisé avant d'éclater, un dispositif de freinage est incorporé à la section de turbine. 10 Ce dispositif 100 est représenté sur la figure 2 qui est une vue partielle en perspective du disque de turbine 63' et du carter d'échappement. Le disque 63' correspond au disque 63 de la figure 1 modifié conformément à l'invention. Le disque 63' a une forme conventionnelle ou 15 autre, selon cet exemple avec un moyeu 63'A, une jante 63'B à sa périphérie et un voile radial 63'C de faible épaisseur entre le moyeu et la jante. La jante 63'B est pourvue de moyens d'attache des aubes qui s'étendent en direction radiale dans le canal annulaire parcouru par le gaz moteur. Les aubes et leur moyen d'attache ne font pas partie de l'invention 20 et n'ont pas été représentés dans leur ensemble sur la figure une silhouette seule dans le plan de coupe est visible. Le carter d'échappement 10 est représenté dans sa partie qui est en vis-à-vis du disque 63'. Il comprend une plateforme annulaire 10A formant la paroi intérieure du canal des gaz dans le prolongement des plateformes à la périphérie du disque 63' du dernier 25 étage de turbine. Des aubes de redresseur 10B, non visibles s'étendent radialement dans le canal annulaire. La plateforme 10A s'étend axialement en amont vers le disque 63' par une languette annulaire 10A' d'étanchéité. Le dispositif de freinage 100 de l'invention est décrit ci-après. Il comprend 30 un premier organe de freinage 110 qui est constitué d'éléments abrasifs 110A. Le premier organe de freinage 110 est monté sur un support de stator formé par le carter d'échappement 10. Le support comprend un flasque annulaire 110D avec une bride radiale 110B par laquelle il est boulonné sur une nervure annulaire du carter 10 sous la languette 10A'. Le flasque 110D 35 comprend une bride radiale 110C positionnée en aval du second organe de freinage 120. Les éléments abrasifs 110A sont solidaires de la bride 110C. Le second organe de freinage 120 est solidaire de la jante 63'B. Plus précisément pour cet exemple, l'organe 120 est solidaire d'une bride 63'Bl5 en aval au niveau de la jante. Il comprend un élément en forme d'anneau à surface radiale 120A en vis-à-vis de l'élément abrasif 110A Ce second organe de freinage 120 peut être rapporté sur la bride 63'B l de la jante 63'B mais il peut être aussi obtenu par usinage ensemble avec la jante à partir d'une ébauche venue de fonderie. Dans ce cas il est constitué du même métal que la jante. Sa dureté lui correspond. En fonctionnement normal, le disque de turbine tourne autour de son axe et l'organe de freinage 120 se déplace en rotation autour de l'axe moteur, parallèlement à la face avant de l'élément abrasif 110A de l'organe de freinage sans le toucher de préférence. La combinaison des éléments 110A et 120A doit permettre, lorsque le disque se déplace axialement vers l'aval en raison de la rupture de l'arbre 8, aux éléments abrasifs 110A de frotter contre la surface 120A. La rotation associée à la pression conduit à l'usure de l'organe de freinage 120 par les éléments abrasifs 110A à l'instar d'un outil abrasif conventionnel. L'énergie est fournie par le rotor en rotation et est ainsi dissipée. La structure et les matériaux des éléments abrasifs 110A ; granulats, substrat sont déterminés conjointement et en relation avec le matériau de l'organe de freinage 120. Le matériau abrasif peut consister en des granulats abrasifs tels que ceux connus dans l'industrie. Il peut s'agir de grains en matériau céramique ou en zirconium. Ceux-ci sont fixés, par exemple par frittage sur un substrat tel qu'une toile en fibres de verre imprégnée de résine résistant à haute température. Une résine époxy de type Pyrotek F 51 et fabriqué par la société Pyrotek convient à cette application et résiste à une température allant jusqu'à 700 C Revendications 1. Dispositif de freinage, dans un moteur à turbine à gaz, d'une turbine comprenant un rotor entraînant un arbre et mobile en rotation par rapport à un stator, en cas de rupture dudit arbre, caractérisé par le fait qu'il comprend un premier organe de freinage (110) pourvu d'au moins un élément abrasif (110A) et un second organe de freinage (120) comprenant un élément en forme d'anneau (120A) réalisé en un matériau susceptible d'être érodé par l'élément abrasif (110A), les deux organes de freinage étant solidaires l'un du rotor, l'autre du stator et venant en contact par déplacement axial du rotor après rupture de l'arbre, l'élément abrasif (110A) du premier organe de freinage (110) érodant l'élément en forme d'anneau (120A) du second organe de freinage (120). 2. Dispositif de freinage selon la revendication précédente, dont le premier organe de freinage (110) est solidaire du stator et le second organe de freinage (120) est solidaire du rotor. 3. Dispositif selon la revendication 2, le rotor comprenant au moins un disque (63') avec une jante (63'B), dont le second organe de freinage (120) est solidaire de la jante et le premier organe de freinage (110) est solidaire du stator en aval de la jante (63'B). 4. Dispositif selon la revendication 3, le moteur comprenant un carter d'échappement (10), dont le premier organe de freinage (110) est solidaire du carter d'échappement (10) et le second organe de freinage (120) du dernier étage de turbine du rotor. 5. Dispositif selon la revendication 2, 3 ou 4 dont le premier organe de freinage (110) comprend une pluralité d'éléments abrasifs (110A) répartis autour de l'axe du moteur. 6. Dispositif selon la revendication 1 dont l'élément abrasif (110A) du premier organe de freinage (110) comprend des granulats abrasifs montés sur un substrat, l'ensemble étant rapporté sur le stator 7. Dispositif selon la revendication 6 dont le substrat est constitué d'une toile.40 8. Dispositif selon la revendication 7 dont la toile est en fibres de verre imprégnée d'une résine. 9. Moteur à turbine à gaz à double corps avec une section de turbine basse pression dont ladite section est équipée d'un dispositif de freinage selon l'une des revendications précédentes.