Brevet FR2981124A1 — publié le 20130412

FOURREAU DE PROTECTION D'UN ARBRE DE TURBOMACHINE L'invention se rapporte à un fourreau de protection thermique d'un arbre d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. Une turbomachine comprend un module basse pression et un module haute pression, le module basse pression comportant un compresseur et une turbine basse pression dont les rotors sont reliés entre eux par un arbre de transmission et le module haute pression comportant un compresseur et une turbine haute pression dont les rotors sont reliés entre eux et entourent l'arbre du module basse pression. Cet arbre est monté à l'intérieur d'un fourreau cylindrique qui le protège des hautes températures auxquelles le module haute pression est exposé en fonctionnement. L'extrémité amont du fourreau est montée à l'intérieur d'un tourillon du compresseur haute pression et son extrémité aval est montée à l'intérieur d'un tourillon de la turbine haute pression. Ce fourreau a par exemple une longueur de l'ordre de 700mm et un diamètre de l'ordre de 70mm. Dans la technique actuelle, une extrémité axiale du fourreau est filetée et vissée dans un des tourillons précités ou est en appui axial sur ce tourillon. L'autre extrémité axiale du fourreau est engagée et montée libre dans un alésage cylindrique de l'autre tourillon de façon à pouvoir coulisser axialement en fonctionnement pour compenser les dilatations thermiques différentielles entre le fourreau et le module haute-pression. Le document FR-A1-2 944 557 décrit une turbomachine comportant un fourreau dont l'extrémité aval est en appui axial sur le tourillon d'une turbine haute pression. L'extrémité amont de ce fourreau est libre de se déplacer axialement dans le tourillon d'un compresseur haute pression, comme indiqué ci-dessus. En fonctionnement, le fourreau est soumis à des vibrations. Il est 30 important de maitriser son comportement en vibration en évitant notamment que les coïncidences entre les fréquences propres de vibration du fourreau et les fréquences de fonctionnement de la turbomachine se situent dans la plage de fonctionnement ce qui pourrait engendrer des criques. Il faut en particulier éviter que les deux premiers modes à diamètres (de plus basses fréquences, de l'ordre de 300-500Hz et de 800- 900Hz, respectivement, selon les points de fonctionnement de la turbomachine) coïncident avec les fréquences de fonctionnement de la turbomachine dans sa plage de fonctionnement. Pour cela, la raideur du fourreau doit être augmentée pour décaler les coïncidences entre les fréquences propres de ces modes à diamètres et les fréquences de fonctionnement de la turbomachine en dehors de sa plage de fonctionnement. On a déjà proposé d'augmenter la raideur d'un fourreau en y ajoutant des raidisseurs et/ou en diminuant sa longueur. Cependant, l'ajout de raidisseurs au fourreau augmente sa masse et permet de décaler seulement le deuxième mode à diamètres en dehors de la plage de fonctionnement de la turbomachine. Le premier mode à diamètres de plus faible fréquence reste dans cette plage de fonctionnement, ce qui est problématique. On peut alors réduire la longueur du fourreau (de l'ordre de 50mm) pour augmenter davantage sa raideur. Pour éviter des modifications des tourillons de montage des extrémités axiales du fourreau, une des extrémités axiales du fourreau est reliée à une extrémité d'un manchon dont l'autre extrémité est montée dans un des tourillons, ce manchon ayant une longueur sensiblement égale à la réduction souhaitée de longueur du fourreau. Cependant, cette solution n'est pas entièrement satisfaisante car elle entraîne une augmentation de masse importante du système et l'augmentation des fréquences propres du fourreau n'est pas suffisante. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ces problèmes de la technique antérieure. Elle propose à cet effet une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, comprenant un module basse pression et un module haute pression, le module basse pression comportant un compresseur et une turbine dont les rotors sont reliés entre eux par un arbre de transmission et le module haute pression comportant un compresseur et une turbine qui entourent l'arbre précité, cet arbre s'étendant à l'intérieur d'un fourreau cylindrique dont les extrémités amont et aval sont reliées à des tourillons du compresseur haute pression et de la turbine haute pression, respectivement, caractérisée en ce qu'une première extrémité du fourreau est filetée et est vissée dans un filetage du tourillon correspondant, et en ce que la seconde extrémité du fourreau comprend des moyens d'appui axial sur lesquels le tourillon correspondant est destiné à venir en appui en fonctionnement, du fait des dilatations thermiques différentielles, dans une direction opposée à la première extrémité du fourreau, de façon à appliquer un effort de traction au fourreau. En fonctionnement et du fait des dilatations thermiques différentielles, les tourillons appliquent aux extrémités du fourreau des forces axiales dirigées vers l'aval. Le tourillon de la turbine haute pression se dilate davantage que celui du compresseur haute pression, ce qui provoque une mise en tension du fourreau, cette tension étant avantageusement définie pour augmenter suffisamment la raideur du fourreau et décaler les deux modes à diamètres de plus faibles fréquences en dehors de la plage de fonctionnement de la turbomachine. Plus précisément, le fourreau, dont l'extrémité amont est filetée et vissée dans le tourillon du compresseur haute pression, subit la dilatation du tourillon du compresseur haute pression. Le tourillon de la turbine haute pression est destiné à appliquer une force axiale vers l'aval à l'extrémité aval du fourreau. Les deux extrémités du fourreau selon l'invention comportent donc chacune des moyens d'appui axial d'un tourillon, alors qu'un fourreau de la technique antérieure ne comporte de tels moyens qu'à une seule de ses extrémités. Les moyens d'appui axial de la première extrémité du fourreau peuvent être formés par un filetage, par exemple externe. Les filets correspondants du tourillon sont destinés à prendre appui sur les filets du fourreau et à leur appliquer une force avec une composante axiale. Les moyens d'appui axial de la seconde extrémité du fourreau peuvent être formés par un filetage ou par un rebord annulaire externe. Le filetage de la seconde extrémité du fourreau est par exemple externe et destiné à être vissé dans un filetage interne du tourillon correspondant. Le rebord annulaire externe du fourreau comprend une surface radiale d'appui du tourillon. La première extrémité du fourreau peut être vissée dans le tourillon 10 du compresseur haute pression. La seconde extrémité du fourreau peut coopérer avec le tourillon de la turbine haute pression. Au repos et à froid, les moyens d'appui axial de la seconde extrémité du fourreau peuvent être séparés par un jeu axial du tourillon correspondant. Ce jeu axial peut résulter des tolérances de fabrication et 15 de montage des pièces de la turbomachine, et est par exemple inférieur ou égal à 0,02-0,03mm dans le cas ou la seconde extrémité du fourreau est filetée et de l'ordre de 0,05mm dans l'autre cas précité. En fonctionnement, ce jeu disparaît du fait des dilatations thermiques différentielles, ce qui est avantageux. L'invention permet en effet d'annuler les jeux axiaux entre les 20 différentes pièces, qui existent lorsque la turbomachine est au repos et à froid. Les tourillons comportent des moyens d'appui axial sur les extrémités axiales du fourreau, ces moyens d'appui étant situés à une distance axiale les uns des autres. En fonctionnement, les dilatations 25 thermiques différentielles provoquent une augmentation de cette distance axiale. Cette augmentation doit être suffisante pour compenser le jeu axial précité et pour appliquer au fourreau un effort de traction suffisant pour décaler les fréquences des modes à diamètres du fourreau en dehors de la plage de fréquences de la turbomachine. Le fourreau peut subir un 30 allongement par dilatation thermique en fonctionnement, par exemple de 1 ou 2mm. L'effort de traction appliqué au fourreau peut provoquer un allongement supplémentaire du fourreau. Avantageusement, le fourreau peut comprendre en outre au moins un raidisseur formé par une surépaisseur annulaire, ce raidisseur étant destiné à augmenter davantage les fréquences propres du fourreau et à décaler les coïncidences entre celles-ci et les fréquences de fonctionnement de la turbomachine en dehors de sa plage de fonctionnement, avec une marge suffisante. La turbomachine peut également comprendre des moyens de 10 blocage en rotation du fourreau, ces moyens coopérant avec la seconde extrémité du fourreau et étant fixés au tourillon correspondant. La présente invention concerne également un fourreau cylindrique pour une turbomachine telle que décrite ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend une première extrémité axiale filetée et une deuxième extrémité 15 axiale filetée ou comportant un rebord annulaire externe formant des moyens d'appui axial. Comme indiqué dans ce qui précède, ce fourreau peut comprendre au moins un raidisseur formé par une surépaisseur annulaire. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, avantages et 20 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 : la figure 1 est une demi-vue schématique partielle en coupe axiale d'une turbomachine selon l'invention ; 25 la figure 2 est une demi-vue schématique en coupe axiale du fourreau selon l'invention ; la figure 3 est une demi-vue schématique d'une partie de la figure 1, à plus grande échelle, et représente l'extrémité amont du fourreau selon l'invention ; 30 la figure 4 est une demi-vue schématique d'une autre partie de la figure 1, à plus grande échelle, et représente l'extrémité aval du fourreau selon l'invention ; la figure 5 est une demi-vue très schématique en coupe axiale d'une variante de réalisation du fourreau selon l'invention, dont les extrémités axiales sont visées dans des tourillons d'une turbomachine, lorsque cette turbomachine est au repos et à froid ; et la figure 6 est une demi-vue très schématique en coupe axiale de la variante de la figure 5, lorsque la turbomachine est en fonctionnement. On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente une partie d'une turbomachine 10, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, 10 qui comprend classiquement un module basse pression et un module haute pression. Le module basse pression comporte un compresseur et une turbine (non représentés) dont les rotors sont reliés entre eux par un arbre de transmission 12, et le module haute pression comporte un compresseur 14 15 et une turbine 16 dont les rotors sont reliés entre eux et entourent l'arbre 12 du module basse pression. Le rotor du compresseur haute pression 14 comprend des roues 18 qui sont reliées les unes aux autres et à un tourillon 20, et le rotor de la turbine haute pression 16 comprend une roue 22 qui est reliée à un autre 20 tourillon 24. L'arbre de transmission 12 s'étend axialement à l'intérieur d'un fourreau cylindrique 26 qui le protège des hautes températures du module haute pression en fonctionnement, ce fourreau 26 ayant une extrémité amont 28 montée dans un alésage axial du tourillon 20 du compresseur 25 haute pression 14 et une extrémité aval 30 montée dans un alésage axial du tourillon 24 de la turbine haute-pression. Le fourreau 26 est formé d'une seule pièce et il a par exemple une longueur de l'ordre de 700mm, un diamètre de l'ordre de 70mm et une épaisseur radiale de l'ordre de 1,3mm. Selon un premier mode de réalisation de l'invention représenté aux 30 figures 1 à 4, l'extrémité amont 28 du fourreau 26 est filetée et vissée dans l'alésage du tourillon 20 et son extrémité aval 30 comprend un rebord annulaire externe 32 comprenant une face radiale amont 34 d'appui du tourillon 24. L'extrémité amont 28 du fourreau 26 comprend un filetage externe qui est vissé dans un filetage interne complémentaire de l'alésage du tourillon 20 (figure 3). Les filets du tourillon 20 peuvent venir en appui sur les filets de l'extrémité amont 28 du fourreau. L'alésage du tourillon 20 comporte, en amont du filetage, un rebord annulaire 36 radialement interne sur la face radiale aval duquel l'extrémité amont libre du fourreau 26 est destinée à venir en butée. Ce rebord 36 forme des moyens de butée limitant la course de déplacement axial du fourreau lors de son vissage dans le tourillon 20. Lorsque le fourreau 26 est en butée par son extrémité amont sur le rebord 36 du tourillon 20, la face amont 34 du rebord externe 32 de l'extrémité aval 30 du fourreau est écartée d'un faible jeu axial J d'une face radiale d'appui 38 d'un rebord annulaire amont 39 du tourillon 24 (figure 4). Ce jeu axial J résulte des tolérances de fabrication et de montage des pièces de la turbomachine. Le fourreau 26 comporte en outre au moins une dent 40 s'étendant axialement vers l'aval depuis l'extrémité libre aval du fourreau 26 (figure 4). Cette dent 40 est engagée dans une encoche axiale d'un anneau 42 qui est fixé dans l'alésage du tourillon 24, en aval du fourreau 26. La dent 40 peut venir en butée en direction circonférentielle sur les parois latérales de l'encoche de l'anneau 42 qui est solidaire en rotation du tourillon 24. Le fourreau est ainsi bloqué en rotation par l'anneau 42 vis-à-vis du tourillon. Le fourreau 26 est engagé axialement depuis l'aval dans les alésages des tourillons 20, 24. Lorsque l'extrémité amont du fourreau 26 est située à l'extrémité aval du filetage du tourillon 20, le fourreau est mis en rotation et déplacé vers l'amont pour que son filetage amont s'engage dans le filetage du tourillon 20, jusqu'à ce que l'extrémité libre amont du fourreau vienne en appui axial sur le rebord annulaire 36 du tourillon 20. Dans cette position, comme expliqué dans ce qui précède, le rebord annulaire aval 32 du fourreau est écarté d'un jeu axial J de la face aval 38 du rebord 39 du tourillon 24. Lorsque la turbomachine est au repos et à froid, les moyens d'appui des tourillons 20, 24, qui sont formés respectivement par le filetage du tourillon 20 et par la face aval 38 du rebord 39 du tourillon 24, sont situés à une distance axiale L les uns des autres. En fonctionnement, les dilatations thermiques différentielles provoquent un écartement des tourillons 20, 24 l'un de l'autre et une augmentation de la distance L précitée. Cette augmentation est déterminée pour d'une part compenser le jeu axial J précité et d'autre part appliquer un effort de traction au fourreau 26 qui est suffisant pour augmenter sa raideur et décaler les coïncidences entre les fréquences propres des modes à diamètres et les fréquences de fonctionnement de la turbomachine en dehors de sa plage de fonctionnement. Comme cela est représenté en figure 2, le fourreau 26 peut en outre comporter des raidisseurs 44 formés par des surépaisseurs annulaires de matière, ces raidisseurs étant par exemple au nombre de trois. Les figures 5 et 6 représentent une variante de réalisation du fourreau 26' selon l'invention, ce fourreau comportant un filetage à chacune de ses extrémités axiales pour vissage dans un filetage du tourillon 20 correspondant. L'extrémité amont 28 du fourreau 26' est similaire à celle du fourreau 26 des figures 1 à 4. L'extrémité aval 30' du fourreau 26' comprend un filetage externe vissé dans un filetage interne du tourillon 24' de la turbine haute-pression. 25 Les filetages des extrémités du fourreau 26' sont orientés dans le même sens et ont des pas sensiblement identiques. Le fourreau 26' est monté depuis l'aval dans les alésages des tourillons 20, 24' de la turbomachine. Lorsque l'extrémité amont 28 du fourreau 26' est située à l'extrémité aval du filetage du tourillon 20, le 30 fourreau 26' est mis en rotation et déplacé vers l'amont pour que ses deux filetages s'engagent dans les filetages des tourillons 20, 24', jusqu'à ce que l'extrémité libre amont du fourreau vienne en appui axial sur le rebord annulaire 36 du tourillon 20. Dans cette position, les filets de l'extrémité aval 30' du fourreau 26' sont écartés d'un jeu axial J' des filets du tourillon 24' (figure 5). Lorsque la turbomachine est au repos et à froid, les moyens d'appui des tourillons 20, 24, qui sont formés par les filetages des tourillons 20, 24', sont situés à une distance axiale L les uns des autres. En fonctionnement, les dilatations thermiques différentielles provoquent un écartement des tourillons 20, 24' l'un de l'autre et une augmentation de la distance précitée (jusqu'à L'). Cette augmentation (L' - L) est déterminée pour d'une part compenser le jeu axial J' précité et d'autre part appliquer un effort de traction au fourreau 26' qui est suffisant pour augmenter sa raideur et décaler les coïncidences entre les fréquences propres de ses modes à diamètres et les fréquences de fonctionnement de la turbomachine en dehors de sa plage de fonctionnement. Le fourreau 26' peut également comporter des raidisseurs du type précité. Dans un exemple particulier de réalisation de l'invention, le fourreau a une longueur de 717mm, un diamètre interne de l'ordre de 71mm et un diamètre externe de l'ordre de 73mm, au niveau de ses filetages. En fonctionnement, l'effort de traction appliqué par les tourillons à ce fourreau est de 4530daN, ce qui permet de décaler les coïncidences entre les fréquences propres de vibrations des deux premiers modes à diamètres et les fréquences de fonctionnement de la turbomachine en dehors de sa plage de fonctionnement, avec une marge de sécurité de 13%.