Brevet FR2927365A1 — publié le 20090814

CARTER DE TURBOMACHINE ET TURBOMACHINE EQUIPEE DE CE CARTER DESCRIPTION Le sujet de cette invention est un carter 5 de turbomachine ainsi qu'une turbomachine équipée de ce carter. Les carters dont il est question ici possèdent une virole extérieure essentiellement circulaire et des bras essentiellement radiaux (avec 10 une inclinaison possible en direction tangentielle) unis à cette virole. La partie centrale de la virole extérieure, entre deux brides circulaires amont et aval, est principalement composée de secteurs plans conférant à la paroi extérieure de la veine une forme 15 polygonale mais qui reste essentiellement circulaire. On trouve les bras dans certaines conceptions de turbomachine pour délimiter une portion d'une veine annulaire d'écoulement des gaz, les bras formant alors des aubes fixes de redressement de l'écoulement qui 20 traversent la veine. La virole extérieure est assemblée à d'autres pièces et présente des extrémités latérales débordant des bras en direction axiale de la machine. La température des gaz soumet la turbomachine à des dilatations importantes mais 25 différentes selon l'échauffement atteint par chaque partie. Les bras, étant directement exposés a l'écoulement des gaz, sont fortement échauffés, alors que les extrémités latérales de la virole, unies à des pièces plus froides, le sont souvent beaucoup moins. Un différentiel de dilatation important apparaît alors entre ces deux portions du carter, qui produit une flexion importante des extrémités latérales aux endroits où elles se raccordent aux bras. Les concentrations de contraintes qu'on observe à ces raccordements les fissurent souvent. L'objet de l'invention est de perfectionner de tels raccordements de manière à réduire les concentrations de contraintes. Selon une forme générale de l'invention, cela est obtenu avec le carter caractérisé en ce que les bords des bras au-delà desquels s'étend l'extrémité de virole, et qui forment des arêtes linéaires, dessinent une concavité à une portion de raccordement à la virole, et l'extrémité de virole est composée de sections circulaires ayant chacune une épaisseur sensiblement constante. L'invention sera maintenant décrite plus en détail par une réalisation effective en liaison aux figures, parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue générale d'un carter sur lequel l'invention peut être implantée et de ses alentours, - la figure 2 représente des raccordements possibles entre bras et extrémité de virole, - la figure 3 représente un raccordement entre bras et extrémité de virole conforme à l'invention, - et la figure 4 représente une vue en coupe IV-IV de la figure 3. On se reporte d'abord à la figure 1, qui représente un carter d'échappement 1 de turbomachine 25 30 placé entre une turbine à basse pression 2 à l'amont et une tuyère 3 à l'aval. Le carter d'échappement 1 comprend une virole 4 extérieure circulaire. Les bras 5 sont placés à travers une veine 8 d'écoulement des gaz dans la turbomachine. La virole 4 présente des extrémités 9 et 10 d'assemblage respectivement au stator de la turbine à basse pression 2 et à la tuyère 3. Ces extrémités 9 et 10 sont les portions de la virole 4 qui s'étendent au-delà d'un bord d'attaque 11 et d'un bord de fuite 12 de chacun des bras 5 dans la direction axiale de la turbomachine (horizontale sur la figure). Les bords d'attaque 11 et de fuite 12 sont des arêtes linéaires, généralement rectilignes et dont la distance de l'un à l'autre, mesurée dans la direction axiale, est appelée la corde 13 du bras 5. La réalisation représentée à la figure 1 comporte des bords d'attaque 11 et 12 de fuite radiaux pour l'essentiel et donc parallèles entre eux, c'est-à-dire que la corde 13 est constante le long des bras 5. Dans d'autres conceptions connues mais qui ne sont pas représentées, les bords d'attaque et de fuite sont obliques à des inclinaisons différentes, de sorte que la corde 13 varie le long des bras 5 : elle est dite évolutive. L'invention s'applique aussi à de telles conceptions. On s'intéresse plus précisément ici à l'extrémité 10 de la virole 4 qui est située vers l'aval, les difficultés à la source de l'invention y étant apparues, mais celle-ci pourrait s'appliquer à l'autre extrémité 9 ou à d'autres viroles que celle du carter d'échappement d'une turbomachine, comme celle d'un carter 29 intermédiaire à la turbine à basse pression 2 et à une turbine à haute pression 30 en amont. L'échauffement considérable des gaz dans la veine 8 produit des échauffements et des dilatations thermiques plus importants aux bras 5, qui fléchissent l'extrémité 10 qui, raccordée à la tuyère 3 beaucoup plus froide, se dilate aussi beaucoup moins. Une concentration de contraintes importante apparaît aux raccordements 14 de l'extrémité 10 aux bras 5, malgré la précaution d'y réaliser un arrondi 15 de rayon assez grand qui incurve localement le bord de fuite 12 vers la tuyère 3. Il a été entrepris de réduire ces concentrations de contraintes. Certains essais, illustrés par la figure 2, se sont révélés infructueux. Un premier d'entre eux consista à épaissir le raccordement 14 en remplaçant le bord extérieur plutôt droit de la virole 4 par un bord extérieur bombé 16 : le raccordement 14 était alors renforcé, mais aucun bénéfice ne fut observé quant à la réduction des contraintes. Un deuxième essai consista à supprimer l'arrondi 15 et à prolonger l'arête rectiligne du bord de fuite 12 presque jusqu'à l'extrémité 10, en laissant seulement subsister un rayon de raccordement minimal 17 pour une fabrication correcte par moulage. L'extrémité 10 était alors devenue plus souple au raccordement 14, et plus facile à fléchir ; mais aucune réduction des contraintes ne fut non plus observée. Une réalisation de l'invention est représentée à la figure 3. Le bord de fuite 12 présente désormais une concavité 18 au raccordement à la virole 4, c'est-à-dire une inflexion locale de l'arête linéaire en s'éloignant de la tuyère 3. La concavité 18 est délimitée par un bord supérieur 19, correspondant à un prolongement du bord inférieur de l'extrémité 10 jusque près des oreilles 7, et par un bord inférieur 20 oblique qui constitue le sommet du bord de fuite 12. Les bords 19 et 20 se raccordent par un arrondi 21 petit, et le bord inférieur 20 se raccorde au reste du bord de fuite 12 (la portion qui reste radiale) par un autre arrondi 22 petit. La position et l'orientation du bord supérieur 19 de la concavité 18 sont avantageusement choisies pour que l'extrémité 10 prolongée vers les oreilles 7 garde une épaisseur peu variable, en tout cas sans variation brusque, dans la direction axiale de la turbomachine. Le bord supérieur 19 de la concavité 18, qui est un bord inférieur du prolongement de l'extrémité 10, sera donc à peu près parallèle à la portion de la surface supérieure de la virole 4 sous laquelle il se trouve. La position et l'orientation du bord inférieur 20 de la concavité 18 sont de même avantageusement choisies pour qu'une portion 24 du bras 5 se trouvant sous ce bord inférieur 20 ait une épaisseur à peu près uniforme, le long du bord inférieur 20, jusqu'à un creux 25 prévu dans le bras 5 pour la ventilation. Quoique la concavité 18 ait l'inconvénient de réduire la corde 13 et la qualité du redressement d'air en échancrant le bras 5, l'allongement de l'extrémité de virole 10 réduit sensiblement les concentrations de contrainte à l'emplacement (14) où elles apparaissaient, de 20% environ, sans qu'elles réapparaissent ailleurs et notamment au fond de la concavité 18. La réduction est encore plus marquée quand les bords 19 et 20 satisfont à tous les critères du paragraphe précédent. Un critère qu'il convient de respecter est relatif à l'évolution de l'épaisseur de l'extrémité 10 dans la direction angulaire de la turbomachine. L'extrémité 10 se compose (figure 4) d'une série de sections sensiblement circulaires autour de l'axe de la turbomachine (à rayon constant sauf près des oreilles 7, où la virole est généralement munie de renfoncements 26 pour faciliter l'insertion et le serrage des boulons de fixation). On préconise que l'épaisseur de l'extrémité 10 reste à peu près uniforme autour de ces sections circulaires (éventuellement à 20% près), c'est-à-dire avec une variation peu importante entre les endroits 27 situés devant les bras 5 et les endroits 28 situés devant les intervalles entre les bras 5. Ce critère s'applique aux sections situées sur la concavité 18 et aux sections en débordant vers la tuyère 3. La réduction des concentrations de contraintes est alors pleinement obtenue. Ainsi qu'on l'a mentionné, l'épaisseur de l'extrémité 10 peut être aussi uniforme pour toutes les sections circulaires, mais ce n'et pas nécessaire. REVENDICATIONS 1) Carter de turbomachine comprenant une virole (4) extérieure essentiellement circulaire et des bras (5) essentiellement radiaux entourés par la virole (4) et unis à la virole, et limités par des bords (12) en arête linéaire, la virole (4) comprenant une extrémité (10) s'étendant au-delà des bords (12) des bras, caractérisé en ce que les bords des bras dessinent une concavité (18) à une portion de raccordement des bras (5) à la virole (4), et l'extrémité (10) de la virole est composée de sections circulaires ayant chacune une épaisseur essentiellement constante. 2) Carter de turbomachine selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bras (5) ont une corde (13) constante sauf à la concavité (18). 3) Carter de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les épaisseurs des sections circulaires de virole sont toutes constantes à 20% près. 4) Carter de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'extrémité (10) de la virole (4) comprend des renfoncements (26) en direction radiale près des bords des bras. 5) Carter de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les bras sont munis de creux (25) et possèdent une épaisseur constante entre les creux (25) et les bords aux concavités (18). 8 6) Turbomachine comprenant un carter selon l'une quelconque des revendications précédentes. 7) Turbomachine selon la revendication 6, le carter étant un carter d'échappement entre une turbine à basse pression (2) et une tuyère (3), l'extrémité (10) de la virole (4) étant jointe à la tuyère (3). 8) Turbomachine selon la revendication 6, le carter (29) étant situé entre deux turbines (2, 30).10