Brevet FR2959535A1 — publié le 20111104

CARTER DE TURBOMACHINE La présente invention concerne un carter de turbomachine ainsi qu'une turbomachine équipée d'un tel carter, telle par exemple qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. Classiquement, une turbomachine comprend plusieurs carters entourant des d'aubes fixes et des roues aubagées. Afin de limiter les pertes aérodynamiques, il est souhaitable de réduire le jeu entre le sommet des aubes et le carter les entourant. Toutefois, la diminution de ce jeu peut favoriser l'apparition de contacts entre les aubes des roues aubagées et le carter. En particulier, les structures à symétrie cyclique telles que les roues aubagées et les carters favorisent l'apparition de modes propres tournants (ou ondes tournantes) sur les deux structures entre lesquelles des contacts peuvent aboutir au phénomène d'interaction dite « modale ». Une onde tournante du carter interagit avec une onde tournante d'une roue aubagée si les conditions cumulatives suivantes sont respectées : le carter et la roue aubagée peuvent vibrer selon un mode à même nombre de diamètres, chaque structure vibre à la fréquence propre du mode à diamètres considéré et enfin les vitesses de propagation des modes tournants coïncident. Or dans la plage de régimes de fonctionnement de la turbomachine, ces conditions peuvent se vérifier pour plusieurs modes propres tournants, c'est-à-dire pour plusieurs modes à diamètres, ce qui n'est pas acceptable si l'on veut garantir l'intégrité physique des roues aubagées et du carter et éviter de diminuer les performances de la turbomachine. Ainsi, il est connu de la technique antérieure de raidir le carter par des raidisseurs circonférentiels, afin d'augmenter la vitesse de propagation des ondes tournantes du carter. De cette manière, pour chaque diamètre, l'égalité de la vitesse de propagation d'une onde tournante du carter et d'une onde tournante d'une roue aubagée se produit en dehors de la plage de fonctionnement de la turbomachine. Toutefois, le raidissement du carter peut s'avérer insuffisant ou bien peut conduire à des ajouts d'épaisseurs de matière sur le carter qui sont inacceptables vis-à-vis des spécifications de masse à respecter. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème tout en évitant les inconvénients précités. A cette fin, elle propose un carter de turbomachine, formant une enveloppe annulaire continue s'étendant sur 360° autour d'une roue à aubes et servant de support à la propagation d'ondes tournantes, chaque onde tournante étant générée par deux ondes stationnaires de même fréquence, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un raidisseur longitudinal sur sa périphérie externe, dimensionné et positionné de manière à séparer en fréquence les deux ondes stationnaires d'au moins une onde tournante donnée. En intégrant un ou plusieurs raidisseurs de dimensions déterminées à des endroits déterminés du carter d'une façon non symétrique autour de l'axe du carter, on parvient à créer un décalage fréquentiel entre les deux ondes stationnaires évitant ou du moins limitant très fortement leur interaction constructive donnant naissance à une onde progressive. En séparant les fréquences des modes doubles à deux ondes stationnaires, on évite la formation sur le carter d'une onde tournante synchrone avec l'excitation tournante apportée par les aubes de la roue entourée par le carter. L'intégration d'un raidisseur longitudinal permet également de modifier la forme d'une des deux ondes stationnaires d'au moins un mode propre tournant. Au lieu d'agir sur la vitesse de propagation de l'onde tournante du carter, l'invention empêche la formation de l'onde tournante, ce qui évite de raidir le carter par ajout d'importantes surépaisseurs de matière sur toute la circonférence de celui-ci. Avantageusement, le raidisseur est positionné au niveau d'un ventre d'au moins une onde stationnaire d'une onde tournante donnée, afin de limiter au maximum l'interaction entre deux ondes stationnaires d'un même mode propre tournant. Préférentiellement, le raidisseur est dimensionné et positionné de sorte que l'écart fréquentiel des ondes stationnaires d'une onde tournante donnée est supérieur ou égal à 3%. Cette valeur de 3% correspond à l'écart fréquentiel minimal souhaitable qui permet de limiter de façon notable l'interaction entre deux ondes stationnaires d'un mode donnée. Ainsi, avec un carter selon l'invention, il est possible de diminuer l'amplitude de l'onde tournante d'un facteur compris entre 3 et 50 par rapport à un carter sans raidisseur longitudinal. Dans une réalisation particulière de l'invention, le carter comprend au moins deux raidisseurs agencés à 90 ° ou 180° l'un de l'autre. Le carter selon l'invention peut comprendre plusieurs raidisseurs longitudinaux, positionnés autour de l'axe du carter à des intervalles angulaires différents les uns des autres. Le ou les raidisseurs précités sont avantageusement positionnés et dimensionnés pour générer des écarts de fréquence entre les ondes stationnaires de plusieurs ondes tournantes données. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un compresseur haute pression dans une turbomachine selon la technique antérieure ; la figure 2 est vue schématique en perspective d'un carter selon la technique antérieure ; la figure 3 est un graphe représentant l'évolution de la fréquence propre de plusieurs modes à diamètres donnés ; les figures 4 et 5 représentent les ondulations de deux ondes stationnaires à six diamètres et à même fréquence sur un carter selon la technique antérieure ; la figure 6 est une vue schématique en perspective d'un carter selon l'invention ; les figures 7 et 8 représentent les ondulations de deux ondes stationnaires à six diamètres sur un carter selon l'invention. On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente un compresseur haute pression 10 de turbomachine agencé immédiatement en amont d'une chambre de combustion et comportant plusieurs rangées d'aubes fixes 12 agencées en alternance avec des rangées d'aubes mobiles 14 et entourées extérieurement par un carter 16. Les roues aubagées 14 sont entraînées en rotation par le rotor d'une turbine haute pression agencée en sortie de la chambre de combustion. La figure 2 représente le carter 16 du compresseur haute pression de la figure 1. Ce carter est généralement formé de plusieurs secteurs agencés et fixés bout à bout. Le carter 16 forme ainsi une enveloppe annulaire continue s'étendant sur 360°. Un tel carter présente du fait de sa conception sous forme de secteurs une symétrie cyclique autour de son axe. En fonctionnement, il peut se former des ondes tournantes à différents diamètres sur le carter et sur les roues aubagées. Le nombre de diamètre correspond au nombre de ventres (ou noeuds) présents sur une demi-circonférence du carter. Une interaction peut s'établir entre une onde tournante du carter et une onde tournante d'une roue aubagée lorsque : le carter et la roue aubagée vibrent selon un mode à même nombre de diamètres ; - le carter et la roue aubagée vibrent à la fréquence propre du mode à diamètres considéré ; ù les vitesses de propagation des modes tournants coïncident. Ces conditions d'interactions peuvent se vérifier pour plusieurs modes à diamètres et donner lieu à un échange d'énergie par contact entre le carter et une roue aubagée, réduisant les performances de la turbomachine. Ces interactions sont visibles sur la figure 3 représentant les variations de la fréquence propre des modes à 5, 6, 7 et 8 diamètres en fonction de la vitesse de rotation du rotor. La ligne verticale 18 située entre 13000 et 14000 tour par minute représente la vitesse maximale de rotation du rotor de compresseur haute pression et la droite verticale 20 représente 120% de la vitesse maximale de rotation. La fréquence propre du carter 16 pour un diamètre donné ne dépend pas du régime de fonctionnement de la turbomachine, c'est-à-dire de la vitesse de rotation du rotor du compresseur haute pression. Les lignes horizontales 22, 24, 26, 28 représentent les fréquences propres du carter pour les modes à 5, 6, 7 et 8 diamètres, respectivement. La fréquence propre d'un mode à diamètre donné pour une roue aubagée varie en fonction de la vitesse de rotation du rotor du compresseur haute pression et les courbes 30, 32, 34, 36 représentent l'évolution de la fréquence propre d'une roue aubagée pour les modes à 5, 6, 7 et 8 diamètres, respectivement. Pour chaque onde tournante à diamètres, il existe une valeur critique de vitesse de rotation du rotor pour laquelle l'onde tournante du carter interagit avec l'onde tournante d'une roue aubagée. Cette interaction est visible sur le graphe de la figure 3 par les intersections 38, 40, 42, 44 entre les courbes 30, 32, 34, 36 et les lignes horizontales 22, 24, 26, 28, respectivement. On note ainsi la présence de trois intersections dans la plage de fonctionnement de la turbomachine, pour les modes à 6, 7 et 8 diamètres et d'une intersection dans la plage comprise entre 100 % et 120% de la vitesse maximale de rotation. Ainsi, il est possible qu'en fonctionnement normal une onde tournante du carter interagisse avec une onde tournante d'une roue aubagée, ce qui doit absolument être évité. De plus, afin de garantir une marge de sécurité minimale, les fabricants de turbomachine évitent également qu'une interaction puisse se produire dans la plage de fonctionnement situé entre 100% et 120% de la vitesse de rotation du rotor du compresseur haute pression. Afin d'éviter ces interactions entre ondes tournantes du carter et ondes tournantes d'une roue aubagée, il est connu de rigidifier le carter, ce qui conduit à une augmentation de la vitesse de propagation des ondes tournantes et de leurs fréquences propres associées. De cette manière, l'interaction entre une onde tournante du carter et une onde tournante d'une roue aubagée à diamètre donné se produit pour une vitesse critique de rotation du rotor du compresseur haute pression plus élevée et au-delà de la plage de fonctionnement de la turbomachine. Cette augmentation de la rigidité du carter est réalisée par ajouts de surépaisseurs s'étendant circonférentiellement sur la périphérie externe du carter, ce qui se traduit par une augmentation importante de la masse du carter. L'invention permet de remédier à cet inconvénient en agissant directement sur la formation des ondes tournantes. Une onde tournante à diamètres donné se propageant sur le carter est générée par deux ondes stationnaires 46, 48 de même fréquence et déphasées d'un quart de longueur d'onde (figures 4 et 5 dans le cas du mode à 6 diamètres). L'interaction des deux ondes stationnaires 46, 48 conduit à la formation d'une onde tournante (ou progressive) de fréquence égale à la fréquence des ondes stationnaires. L'intégration d'au moins un raidisseur longitudinal 50 sur la périphérie externe du carter 52 permet de réaliser un décalage en fréquence entre les deux ondes stationnaires d'au moins un mode à diamètres donné (figure 6). De cette manière, l'interaction entre les deux ondes stationnaires ne peut plus donner naissance à une onde tournante (ou progressive) se propageant autour du carter. Un décalage suffisant en fréquence est réalisé grâce à un positionnement et un dimensionnement adéquats du raidisseur longitudinal sur le carter. Les figures 7 et 8 représentent un carter selon l'invention et deux ondes stationnaires dans le cas d'un mode à 6 diamètres. La figure 7 représente le carter 52 sur lequel est superposée une onde stationnaire 54 et la figure 8 représente le même carter 52 sur lequel est superposée une onde stationnaire 56 décalée angulairement d'un quart de longueur d'onde. L'intégration de raidisseurs longitudinaux 50 permet d'avoir une première onde stationnaire 54 à une fréquence de 978, 4 Hz et une deuxième onde stationnaire 56 à une fréquence de 1020,7 Hz, ce qui donne un écart de fréquence d'environ à 4,3%. On constate également que l'intégration de raidisseurs permet de diminuer l'amplitude des vibrations de l'onde stationnaire 48 (figure 8) par rapport à la même onde stationnaire sur un carter sans raidisseur (figure 5). Ce résultat est obtenu avec 4 raidisseurs longitudinaux espacés circonférentiellement les uns des autres avec un pas angulaire inter-raidisseurs de 90°. Chaque raidisseur a une dimension circonférentielle et radiale d'environ 20 mm et une dimension longitudinale de 40 mm. Il est possible d'intégrer plusieurs raidisseurs longitudinaux répartis autour de l'axe à des intervalles différents les uns des autres de manière à réaliser un décalage en fréquence optimal pour chaque mode à diamètres. Avantageusement, le ou les raidisseurs sont positionnés au niveau d'un ventre d'au moins une onde stationnaire de chaque onde tournante considérée. Préférentiellement, l'écart en fréquence entre les deux ondes stationnaires d'un même mode à diamètre est supérieur ou égal à 3%, afin de garantir qu'aucune interaction ne s'établisse entre les deux ondes stationnaires. Les raidisseurs 50 peuvent être des nervures comme sur la figure 6. Ces nervures peuvent s'étendre sur une partie ou la totalité de la longueur 5 axiale du carter. L'intégration de raidisseurs comme décrit précédemment permet de réduire la masse du carter d'environ 10% par rapport à un carter avec ajouts de raidisseurs circonférentiels comme dans la technique antérieure.