Brevet FR2955615A1 — publié le 20110729

Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne un arbre rotatif de turboréacteur d'aéronef qui est supporté en rotation par des paliers à roulement. Elle vise plus particulièrement un système permettant de découpler un tel arbre rotatif en cas de balourd important sur celui-ci. Un turboréacteur à double-corps et double-flux comporte deux rotors, à savoir un rotor basse pression et un rotor haute pression, qui sont supportés par des paliers à roulement. Typiquement, le rotor basse pression est supporté par deux paliers à roulement à l'avant (appelés ci- après « palier 1 » et « palier 2 ») et un palier à roulement à l'arrière. Ces paliers doivent tenir aux charges axiales et radiales du turboréacteur. Dans un tel turboréacteur, la rupture d'une aube de la soufflante (consécutivement à l'ingestion d'un oiseau par exemple) engendre un balourd sur l'arbre basse-pression dans le plan de la soufflante. Dans une telle situation, d'importantes charges liées au balourd induit sont transmises aux structures du turboréacteur, d'une part par l'intermédiaire du palier 1 qui supporte cet arbre à proximité de la soufflante, et d'autre part lors des contacts entre les aubes de la soufflante et le carter qui les entoure. Ces charges doivent donc être prises en compte lors du dimensionnement du turboréacteur. Les réduire permet d'optimiser la masse du turboréacteur. Pour y parvenir, il est connu de mettre en place un système de découplage au niveau du palier 1, ainsi que d'augmenter le jeu entre les sommets des aubes de la soufflante et le carter qui les entoure afin de réduire considérablement les charges transmises aux structures en cas de balourd important sur l'arbre basse-pression. Un système de découplage se présente typiquement sous la forme de vis ou de colonnettes fusibles qui sont tarées pour rompre à une certaine charge et supprimer ainsi la liaison entre l'arbre basse-pression et le support fixe du palier 1 en cas de balourd important sur l'arbre basse-pression. Il en résulte une chute de la fréquence du mode de suspension de la soufflante dans la plage de fonctionnement de l'arbre basse-pression, ce qui réduit les charges à haut régime. Le recours à un système de découplage n'est cependant efficace que si les contacts entre les aubes de la soufflante et le carter qui les entoure sont réduits, ce qui nécessite un important jeu entre ces pièces. Par ailleurs, la chute de la fréquence du mode de suspension de la soufflante consécutivement à la rupture des vis fusibles se traduit également par un changement de nature de ce mode de suspension qui tend à déformer l'arbre basse-pression plutôt que le support fixe du palier 1. Il en résulte une flexion importante de l'arbre basse-pression sous le rotor haute-pression du turboréacteur. En particulier, des contacts peuvent apparaître entre l'arbre basse-pression et l'arbre haute-pression, ces contacts augmentant le risque de rupture de l'arbre basse-pression. Un moyen connu pour limiter les contacts inter-arbres pendant la décélération consécutive à la rupture de l'aube de soufflante est d'ajouter un système de découplage au niveau du palier 2. Ce système de découplage, taré pour rompre après le système de découplage du palier 1, permet de libérer du jeu radial au niveau du palier 2 pour limiter les contacts inter-arbres. Une butée mécanique située au niveau du palier 2 permet avantageusement de limiter les déplacements radiaux de l'arbre basse-pression après la rupture du système de découplage de ce palier 2. Toutefois, cette solution à deux systèmes de découplage présente l'inconvénient que l'augmentation du jeu au niveau du palier 2 suite à la rupture du système de découplage autorise la mise en orbite du rotor basse-pression lors des phases de fonctionnement en autorotation («windmilling ») et contribue à augmenter les niveaux vibratoires à bas régime. Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant un système de découplage pour arbre rotatif permettant, à l'aide d'un seul dispositif, de limiter les contacts inter-arbres tout en assurant la rétention axiale de l'arbre rotatif et de réduire les charges et vibrations pendant les phases de fonctionnement en autorotation. Ce but est atteint grâce à un système de découplage pour arbre rotatif d'un turboréacteur d'aéronef, comportant un palier à roulement ayant une pluralité d'éléments roulant insérés entre une première et une seconde bagues, la première bague étant fixée sur un support de palier fixe du turboréacteur et la seconde bague étant montée dans une chambre annulaire de montage fixée sur un arbre rotatif du turboréacteur, des moyens de transmission du couple de rotation de l'arbre rotatif à la seconde bague du palier, et des moyens pour assurer un centrage radial de la seconde bague du palier par rapport à la chambre de montage tant qu'un effort statique lié à un balourd affectant l'arbre rotatif ne dépasse pas un seuil prédéterminé et pour autoriser un déplacement radial relatif de la seconde bague du palier par rapport à la chambre de montage lorsqu'un effort statique lié à un balourd affectant l'arbre rotatif dépasse ledit seuil prédéterminé. Conformément à l'invention, le système de découplage comporte en outre une pluralité de sacs souples étanches intercalés entre la seconde bague du palier et la chambre de montage sur toute la circonférence de celle-ci, chaque sac renfermant une structure hétérogène constituée d'une matrice solide capillaire poreuse et d'un liquide associé au regard duquel la matrice est lyophobe. Lorsqu'un balourd affecte l'arbre rotatif, l'effort qui en résulte sur les pièces de l'arbre rotatif est statique dans le référentiel tournant associé à cet arbre. Les sacs renfermant la structure hétérogène sont de volume constant. Aussi, l'effort statique résultant du balourd transite intégralement par l'intermédiaire de ces sacs. Tant que ce balourd ne dépasse pas le seuil prédéterminé, la chambre annulaire de montage, les sacs et les éléments roulant du palier se déplacent de façon identique et solidaire. Lorsque l'effort statique lié au balourd dépasse le seuil prédéterminé, la seconde bague du palier se déplace radialement par rapport à la chambre annulaire de montage. Ces déplacements se traduisent par une compression des sacs qui engendre, au-delà d'un certain seuil de compression, une pénétration du liquide dans le réseau capillaire de la matrice solide de la structure hétérogène (cette opération s'effectue de façon quasi-instantanée et est isotherme). Le volume des sacs diminue alors brutalement, libérant un jeu entre l'arbre rotatif et la seconde bague du palier. Dès que la pression exercée sur les sacs repassera sous le seuil prédéterminé, la structure hétérogène aura pour particularité de se détendre spontanément, ce qui permet le retour à la situation antérieure. Un tel système trouve une application particulièrement avantageuse au découplage de l'arbre basse-pression d'un turboréacteur de type à double-corps et double-flux. Dans cette configuration, le système est appliqué au palier 2 et l'effort nécessaire à comprimer les sacs est taré de manière qu'en présence d'un balourd résiduel sur l'arbre basse-pression considéré comme normal (c'est-à-dire ne nuisant pas au fonctionnement du turboréacteur), le liquide ne pénètre pas dans le réseau capillaire de la matrice solide de la structure hétérogène. En revanche, en cas de perte d'aube de soufflante, la brusque compression des sacs intervient juste après le découplage du palier 1. Lorsque le rotor basse-pression décèlera, l'effort sur le palier 2 diminuera et repassera sous l'effort limite, entraînant ainsi la détente de la structure hétérogène contenue dans les sacs. Ceci provoquera un recentrage du rotor basse- pression sous le palier 2 et la réduction des niveaux vibratoires induits par l'orbitage du rotor basse-pression à bas régime et pendant les phases de fonctionnement en autorotation. Ainsi, le système de découplage selon l'invention permet, en cas de rupture d'une aube de soufflante, de limiter les contacts inter-arbres et de réduire les niveaux vibratoires pendant la phase de décélération consécutive au balourd. Par ailleurs, le palier restant intègre, il continue d'assurer sa fonction de rétention axiale de l'arbre rotatif. Aucun dispositif supplémentaire pour assurer cette fonction en cas de balourd important n'est donc nécessaire. Il en résulte une simplification de l'architecture et un gain de masse et par conséquent de performance. La seconde bague du palier peut comprendre un épaulement fusible fixé sur la chambre de montage permettant d'assurer le centrage radial de la seconde bague du palier par rapport à la chambre de montage tant qu'un effort statique lié à un balourd affectant l'arbre rotatif ne dépasse pas le seuil prédéterminé et apte à rompre lorsqu'un effort statique lié à un balourd affectant l'arbre rotatif dépasse le seuil prédéterminé afin d'autoriser un déplacement radial relatif de la seconde bague du palier par rapport à la chambre de montage. Alternativement, la seconde bague du palier peut comprendre une bride axiale fixée sur une bride correspondante de la chambre de montage, ces brides formant une liaison souple autorisant un déplacement radial relatif de la seconde bague du palier par rapport à la chambre de montage. Par ailleurs, la seconde bague du palier peut comprendre une pluralité d'ergots coopérant avec des dents correspondantes de la chambre de montage pour permettre la transmission du couple de rotation de l'arbre rotatif à la seconde bague du palier. La chambre de montage est de préférence réalisée en deux parties distinctes. De plus, la chambre de montage peut être frettée sur l'arbre rotatif et maintenue axialement sur celui-ci par un écrou. L'invention vise également un turboréacteur d'aéronef comportant au moins un système de découplage tel que défini précédemment. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue générale et schématique montrant l'emplacement privilégié du système de découplage selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe d'un système de découplage selon un mode de réalisation de l'invention ; la figure 3 est une vue en coupe selon III-III de la figure 2 ; - la figure 4 est une vue en coupe du système de la figure 2 après découplage ; et - la figure 5 est une en coupe d'un système de découplage selon un autre mode de réalisation de l'invention. Description détaillée de modes de réalisation La figure 1 représente de façon partielle et en coupe longitudinale un rotor basse-pression 10 d'un turboréacteur de type à double corps et double flux. Ce rotor basse-pression comprend notamment un arbre basse-pression 12 centré sur l'axe longitudinal 14 du turboréacteur et portant à son extrémité amont une pluralité d'aubes de soufflante 16. Un carter annulaire 18 centré sur l'axe longitudinal 14 entoure les aubes de soufflante. L'arbre basse-pression 12 est supporté en rotation par un palier avant 20 (également appelé « palier 1 ») du type à rouleaux et un palier arrière 22 (également appelé « palier 2 ») du type à billes. De façon plus précise, le palier avant 20 est soutenu par un support de palier avant 24 qui est relié à une structure fixe 26 du turboréacteur (carter intermédiaire) par l'intermédiaire de vis fusibles 28. Ces vis fusibles constituent un premier système de découplage de l'arbre basse-pression : elles sont tarées pour rompre sous une charge prédéterminée correspondant à un balourd important sur l'arbre basse-pression (cas typique de la perte d'une aube de soufflante 16) afin de supprimer la liaison entre l'arbre basse-pression et la structure fixe 26 du turboréacteur. Bien entendu, d'autres systèmes de découplage au niveau du palier avant peuvent être envisagés. De même, le palier arrière 22 est soutenu par un support de palier arrière 30 qui est également relié à la structure fixe 26 du turboréacteur par l'intermédiaire de vis 32. Un second système de découplage de l'arbre basse-pression conforme à l'invention est aussi prévu au niveau de ce palier arrière. On décrira d'abord un premier mode de réalisation d'un tel système de découplage en liaison avec les figures 2 et 3. Le palier arrière 22 comprend une pluralité de billes 34 qui sont insérées entre une bague intérieure 36 disposée du côté de l'arbre basse- pression 12 et une bague extérieure 38 disposée du côté du support de palier arrière 30, ces bagues définissant des pistes de roulement pour les billes. La bague extérieure est plus précisément fixée au support de palier arrière 30 à l'aide d'un écrou 40. Quant à la bague intérieure, elle est montée dans une chambre annulaire de montage 42 frettée sur l'arbre basse-pression et fixée axialement sur celui-ci par un écrou 44. Cette chambre de montage 42 présente une paroi amont 46 espacée axialement d'une paroi aval 48 par un fond 50. Pour permettre la transmission du couple de rotation de l'arbre basse-pression à la bague intérieure du palier arrière, celle-ci comprend une pluralité d'ergots 52 coopérant avec des dents 54 correspondantes formées au niveau de l'extrémité libre de la paroi aval 48 de la chambre de montage. D'autres moyens de transmission du couple de rotation sont bien entendu envisageables. Par ailleurs, la bague intérieure 36 du palier arrière comprend également un épaulement fusible 56 qui est centré sur l'extrémité libre de la paroi amont 46 de la chambre de montage. Cet épaulement fusible permet d'assurer un centrage radial de la bague intérieure sur la chambre de montage en fonctionnement normal, c'est-à-dire tant qu'un effort statique lié à un balourd affectant l'arbre rotatif ne dépasse pas un seuil prédéterminé. L'épaulement fusible s'étend selon une direction axiale et présente sur sa face interne un rayonnage qui est apte à rompre mécaniquement sous une charge prédéterminée (correspondant à un seuil prédéterminé d'effort statique lié à un balourd affectant l'arbre basse-pression). En cas de dépassement de ce seuil prédéterminé, l'épaulement 56 rompt autorisant ainsi la bague intérieure du palier arrière à se déplacer radialement par rapport à la chambre de montage 42. Le seuil d'effort statique est choisi de sorte à provoquer une rupture de l'épaulement 56 juste après que soit intervenu le découplage de l'arbre basse-pression au niveau du palier avant 20. Toujours selon l'invention, une pluralité de sacs 58 souples et étanches sont intercalés entre la bague intérieure 36 du palier arrière et la chambre de montage 42 sur toute la circonférence de celle-ci, chaque sac renfermant une structure hétérogène 59 particulière. Comme représenté sur la figure 2, ces sacs s'étendent, d'une part axialement entre les parois amont 46 et aval 48 de la chambre de montage, et d'autre part radialement entre le fond 50 de cette même chambre de montage et la surface interne de la bague intérieure 36. De plus, ces sacs sont accolés les uns aux autres de façon à s'étendre sur toute la circonférence de la chambre de montage (figure 3). Bien entendu, il est possible d'imaginer d'autres configurations pour la disposition de ces sacs. Ils pourraient notamment être disposés en plusieurs couches. Ces sacs 58 sont souples et étanches à la structure hétérogène 59 qu'ils renferment. Une telle structure hétérogène se compose d'une matrice solide capillaire poreuse et d'un liquide associé au regard duquel la matrice est lyophobe. Différents exemples d'une structure hétérogène présentant ces caractéristiques sont donnés dans la demande de brevet internationale WO 96/18040. Le matériau constitutif de la matrice capillaire pourra par exemple être un composé de silice et de chrome, un aluminosilicate, de l'alumine, un verre en sodium-borosilicate poreux, du graphite, etc. et présenter une surface active de l'ordre de 700 à 1500 m2 par gramme. Le liquide associé devra alors être un liquide polaire qui a pour propriété de ne pas mouiller le matériau constitutif de la matrice capillaire, comme par exemple de l'eau, du mercure, du gallium, de l'indium, de l'alliage de plomb ou d'étain, etc. Une telle structure hétérogène présente comme particularité que le liquide entourant la matrice capillaire lyophobe au regard de ce liquide ne peut pas spontanément pénétrer à l'intérieur des pores ou capillaires, et cette pénétration ne peut qu'être forcée, par suite d'une compression adéquate exercée sur la structure hétérogène, c'est-à-dire sur les sacs 58 renfermant celle-ci. Le seuil de pression qu'il est nécessaire de franchir pour obtenir cette pénétration du liquide dans les pores de la matrice capillaire est connu et prédéterminé. Il est choisi pour que la compression de la structure hétérogène des sacs intervienne juste après la rupture de l'épaulement 56 liant radialement la bague intérieure 36 du palier arrière à la chambre de montage 42. Aussi, lorsqu'un balourd affecte l'arbre basse-pression 12, et que l'effort statique lié à ce balourd reste inférieur au seuil d'effort prédéterminé mentionné ci-dessus, cet effort transite intégralement par l'intermédiaire des sacs étanches sans que le volume de ces sacs ne soit affecté. En revanche, lorsque l'effort statique lié au balourd dépasse le seuil d'effort statique prédéterminé, la bague intérieure 36 du palier arrière se découple de la chambre de montage 42, autorisant ainsi des déplacements radiaux de la bague intérieure par rapport à la chambre. Ces déplacements se traduisent alors par une compression des sacs 58 qui se situent au droit du balourd. Lorsque le seuil de pression prédéterminé est franchi, cette compression engendre une pénétration du liquide dans le réseau capillaire de la matrice solide de la structure hétérogène (cette opération s'effectue de façon quasi-instantanée et est isotherme). Le volume des sacs 58 diminue donc brutalement, libérant un jeu entre l'arbre basse-pression et la bague intérieure du palier (cas de la figure 4). Par ailleurs, la matrice capillaire de la structure hétérogène contenue dans les sacs 58 est de préférence choisie de façon à être monoporeuse de sorte que lorsque la pression appliquée sur la structure hétérogène des sacs comprimés est relâchée, on obtient une détente spontanée de cette structure qui permet le retour à la situation illustrée sur les figures 2 et 3. Il est à noter que la variation du volume des sacs (entre leur état normal et leur état comprimé) est directement proportionnelle à la porosité du matériau constitutif de la matrice capillaire. Il est ainsi possible de calibrer le volume des sacs dans leur état comprimé et par conséquent le jeu libéré entre l'arbre basse-pression et la bague intérieure du palier arrière lors de la perte d'une aube. En liaison avec la figure 5 on décrira maintenant un second mode de réalisation du système de découplage selon l'invention. Ce second mode de réalisation se distingue du premier notamment en ce que la bague intérieure 36' du palier arrière 22' comprend une bride 60 qui s'étend axialement vers l'amont et qui est fixée sur une bride 62 correspondante de la chambre de montage 42' (cette bride 62 s'étend axialement vers l'amont depuis l'extrémité de la paroi amont 46' de la chambre de montage). Ces brides 60, 62 font fixées l'une à l'autre au moyen d'un système vis/écrou 64 et forment une liaison souple qui autorise un déplacement radial relatif de la bague intérieure par rapport à la chambre de montage. Cette liaison souple 60, 62 permet également de centrer radialement la bague intérieure sur la chambre de montage et de reprendre les efforts axiaux générés par la poussée. Dans ce second mode de réalisation, comme aucune rupture mécanique de la liaison entre la bague intérieure et la chambre de montage n'intervient en cas de perte d'une aube de soufflante, il est nécessaire de prendre en compte la souplesse de la liaison 60, 62 lors du calibrage des caractéristiques de la structure hétérogène 59 contenue dans les sacs 58. On décrira maintenant certaines caractéristiques avantageuses communes aux deux modes de réalisation précédemment décrits. Selon une disposition avantageuse, afin de faciliter l'assemblage du palier arrière 22, 22', la chambre de montage 42, 42' est réalisée en deux parties distinctes, à savoir une première partie formée par le fond 50, 50' et la paroi amont 46, 46', et une seconde partie formée notamment par la paroi aval 48, 48'. L'assemblage de la chambre de montage est le suivant. La première partie de la chambre de montage est frettée en premier sur l'arbre basse-pression 12. Les sacs souples 58 renfermant la structure hétérogène 59 sont ensuite positionnés sur toute la circonférence de la chambre de montage et maintenus en position à l'aide d'un outillage spécifique et le palier arrière est monté par l'aval sur les sacs. La seconde partie de la chambre de montage est alors montée par l'aval et frettée sur l'arbre basse-pression et les deux parties sont maintenues axialement par l'écrou 44. Enfin, on notera que pour permettre un déplacement radial de la bague intérieure du palier arrière dans la chambre de montage, il est nécessaire d'ajouter un revêtement sur les surfaces internes de la chambre et/ou de la bague intérieure afin d'assurer un faible coefficient de frottement entre ces deux pièces. Ce revêtement peut par exemple être du Téflon®. REVENDICATIONS1. Système de découplage pour arbre rotatif d'un turboréacteur d'aéronef, comportant ; un palier à roulement (22, 22') ayant une pluralité d'éléments roulant (34) insérés entre une première et une seconde bagues, la première bague (38) étant fixée sur un support de palier fixe (30) du turboréacteur et la seconde bague (36, 36') étant montée dans une chambre annulaire de montage (42, 42') fixée sur un arbre rotatif (12) du turboréacteur ; des moyens (52, 54) de transmission du couple de rotation de l'arbre rotatif à la seconde bague du palier ; et des moyens (56 ; 60, 62) pour assurer un centrage radial de la seconde bague du palier par rapport à la chambre de montage tant qu'un effort statique lié à un balourd affectant l'arbre rotatif ne dépasse pas un seuil prédéterminé et pour autoriser un déplacement radial relatif de la seconde bague du palier par rapport à la chambre de montage lorsqu'un effort statique lié à un balourd affectant l'arbre rotatif dépasse ledit seuil prédéterminé ; caractérisé en ce qu'il comporte en outre une pluralité de sacs (58) souples étanches intercalés entre la seconde bague du palier et la chambre de montage sur toute la circonférence de celle-ci, chaque sac renfermant une structure hétérogène (59) constituée d'une matrice solide capillaire poreuse et d'un liquide associé au regard duquel la matrice est lyophobe. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel la seconde bague (36) du palier (22) comprend un épaulement fusible (56) fixé sur la chambre de montage (42) permettant d'assurer le centrage radial de la seconde bague du palier par rapport à la chambre de montage tant qu'un effort statique lié à un balourd affectant l'arbre rotatif ne dépasse pas le seuil prédéterminé et apte à rompre lorsqu'un effort statique lié à un balourd affectant l'arbre rotatif (12) dépasse le seuil prédéterminé afin d'autoriser un déplacement radial relatif de la seconde bague du palier par rapport à la chambre de montage. 3. Système selon la revendication 1, dans lequel la seconde bague (36') du palier (22') comprend une bride axiale (60) fixée sur une bride (62) correspondante de la chambre de montage (42'), ces brides formant une liaison souple autorisant un déplacement radial relatif de la seconde bague du palier par rapport à la chambre de montage. 4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la seconde bague (36, 36') du palier (22, 22') comprend une pluralité d'ergots (52) coopérant avec des dents (54) correspondantes de la chambre de montage (42, 42') pour permettre la transmission du couple de rotation de l'arbre rotatif à la seconde bague du palier. 5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la chambre de montage (42, 42') est réalisée en deux parties 15 distinctes. 6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle la chambre de montage (42, 42') est frettée sur l'arbre rotatif et maintenue axialement sur celui-ci par un écrou (44). 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les éléments roulant du palier (22, 22') sont des billes (34). 8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, 25 dans lequel la première bague (38) du palier (22, 22') est disposée du côté extérieur tandis que la seconde bague (36, 36') est disposée du côté intérieur. 9. Turboréacteur d'aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte au 30 moins un système de découplage selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 20