Brevet FR2999237A1 — publié le 20140613

GUIDAGE D'ARBRES DE TURBOMACHINE DOMAINE DE L'INVENTION [0001] L'invention se rapporte au domaine des turbomachines, notamment pour aéronef, et concerne un agencement d'arbres d'entraînement dans une turbomachine. ÉTAT DE LA TECHNIQUE [0002] Une turbomachine comprend de manière connue au moins une partie mobile, appelée rotor, montée rotative par rapport à une partie fixe, appelée stator. Un tel rotor comprend usuellement au moins une turbine dont l'arbre de turbine est emmanché dans un second arbre relié à une boîte de transmission dite « PGB » (Power Gear Box) et appelé arbre de PGB. L'arbre de turbine entraîne ainsi l'arbre de PGB afin qu'il transmette cette force d'entraînement, par exemple à des hélices contrarotatives. [0003] Des paliers, à billes ou à rouleaux, peuvent être disposés entre le rotor et le stator, notamment au niveau des arbres de turbine et de PGB, pour guider ceux-ci en rotation par rapport au stator. L'un de ces paliers peut être un palier dit « souple » permettant de compenser au moins partiellement le désalignement entre les paliers et d'autoriser un cintrage de l'arbre de turbine. [0004] Pour les arbres de longueur importante, par exemple dans les architectures ouvertes de moteur dites « Open Rotor Puller », il est connu d'utiliser un arbre de PGB dont une portion est en forme d'accordéon, c'est-à-dire déformable, de manière à limiter la déformation de l'arbre de PGB sous l'action d'une déformation de l'arbre de turbine et réduire ainsi les effets du cintrage de l'arbre de turbine sur l'arbre de PGB. [0005] Une telle souplesse augmente cependant les contraintes mécaniques appliquées à la liaison rigide réalisée par emmanchement entre l'arbre de PGB et l'arbre de turbine, ce qui présente un premier inconvénient. [0006] De plus, une longueur importante de l'arbre de turbine peut quand même, dans certains cas, entraîner une flexion suffisante pour provoquer un contact de l'arbre de turbine avec les éléments environnants de la turbomachine, ce qui présente un second inconvénient. [0007] Enfin, les manipulations de montage ou de démontage de l'arbre de PGB et de l'arbre de turbine de la turbomachine sont complexes dans la mesure où un outillage spécifique est nécessaire pour maintenir les deux arbres alignés lors de leur emmanchement et éviter que l'un ou l'autre des arbres percute et endommage d'autres éléments de la turbomachine lors de ces manipulations. Un tel outillage augmentant le temps et le coût de la maintenance de la turbomachine présente donc un troisième inconvénient. EXPOSÉ DE L'INVENTION [0008] L'invention vise à améliorer la structure des turbomachines existantes et notamment à autoriser à la fois une souplesse des arbres de PGB et de turbine, notamment un cintrage de l'arbre de turbine, notamment pour un arbre de turbine de grande longueur, tout en évitant le contact de l'un ou l'autre de ces arbres, lors de leur déformation, avec d'autres éléments de la turbomachine. L'invention vise aussi à réduire les coûts de maintenance liés au montage et au démontage des arbres tout en rendant ces opérations plus aisées pour les opérateurs. [0009] A cet effet, l'invention a pour objet une turbomachine, notamment pour aéronef, comprenant un arbre de boîte de transmission et un arbre de turbine, de préférence basse pression, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une pièce de liaison de forme annulaire par laquelle sont reliées solidairement en rotation une extrémité de l'arbre de boîte de transmission et une extrémité de l'arbre de turbine. [0010] Une telle pièce de liaison permet d'éviter l'emmanchement de l'arbre de turbine et l'arbre de boîte de transmission, ce qui autorise un découplage des deux arbres et confère une souplesse plus importante à la liaison entre les deux arbres. Les effets, sur l'un des arbres, des contraintes mécaniques exercées sur l'autre arbre sont donc notablement réduites. De plus, les deux arbres peuvent être montés ou démontés indépendamment l'un de l'autre, ce qui évite l'utilisation d'un outillage spécifique, complexe et onéreux, pour aligner les deux arbres et permet donc de réduire le temps et coûts de maintenance. [0011] La pièce de liaison comprend avantageusement une surface intérieure sensiblement cylindrique. [0012] De préférence, l'une des extrémités de l'arbre de boîte de transmission est reliée à la pièce de liaison par une première liaison par cannelures et l'une des extrémités de l'arbre de turbine est reliée à la pièce de liaison par une deuxième liaison par cannelures. De telles liaisons par cannelures sont à la fois souples et solides et permettent un montage et un démontage aisés à réaliser. [0013] Dans un tel cas, la pièce de liaison comprend une première pluralité de cannelures, sur laquelle est montée une pluralité de cannelures complémentaires de l'extrémité de l'arbre de boîte de transmission, et une deuxième pluralité de cannelures sur laquelle est montée une pluralité de cannelures complémentaires de l'extrémité de l'arbre de turbine. [0014] De manière préférée, la pièce de liaison comprend les deux pluralités de cannelures sur sa surface intérieure, l'extrémité de l'arbre de boîte de transmission et l'extrémité de l'arbre de turbine étant montées dans la pièce de liaison. La pièce de liaison entoure alors au moins en partie l'extrémité de l'arbre de boîte de transmission et l'extrémité de l'arbre de turbine. [0015] Selon un aspect de l'invention, la turbomachine comprend un carter structural et un palier de guidage, de la pièce de liaison par rapport au carter, le palier de guidage étant monté entre la pièce de liaison et le carter. Le carter peut être fixe tandis que la pièce de liaison peut être mobile ou vice-et-versa. [0016] Avantageusement, le palier de guidage comprend une bague externe montée sur le carter, une bague interne montée sur la pièce de liaison et au moins un élément roulant configuré pour autoriser le roulement de la bague externe autour de la bague interne. [0017] De préférence, le palier de guidage est configuré pour former une liaison rotule autorisant un débattement angulaire relatif de la pièce de liaison par rapport au carter. En d'autres termes, une telle liaison rotule permet de désaxer la bague externe du palier par rapport à la bague interne du palier. [0018] Ainsi, lorsque l'arbre de boîte de transmission et/ou l'arbre de turbine sont soumis à des contraintes mécaniques qui entraînent, par exemple, un cintrage de l'arbre, le débattement angulaire autorisé par la liaison rotule permet d'une part, d'éviter de trop grandes contraintes sur la liaison entre l'arbre de boîte de transmission et l'arbre de turbine, ceux-ci n'étant plus montés l'un sur l'autre comme dans l'art antérieur, et, d'autre part, de transférer la contrainte de cintrage au moins partiellement de la liaison entre la pièce de liaison et les arbres vers le palier de guidage. [0019] De manière préférée, les éléments roulants comprennent une portion axiale de forme au moins en partie arrondie pour autoriser la liaison rotule entre la bague interne et la bague externe, c'est-à-dire pour autoriser une inclinaison de la bague interne par rapport à la bague externe. Par le terme « axiale », on entend suivant l'axe longitudinal de la turbine. [0020] De préférence, les éléments roulants se présentent sous la forme de billes, par exemple métalliques. [0021] Selon une caractéristique de l'invention, les billes sont disposées de manière annulaire autour de la pièce de liaison, formant par exemple une ou plusieurs rangées annulaires. [0022] De manière avantageuse, le palier de guidage comprend deux pluralités de billes disposées en deux rangées annulaires autour de la pièce de la liaison. Un tel agencement permet d'articuler axialement le palier autour d'une liaison rotule tout en permettant une solidité et une stabilité relative du carter et de l'ensemble formé par l'arbre de boîte de transmission, l'arbre de turbine et la pièce de liaison. [0023] Selon une caractéristique de l'invention, la bague externe comprend une zone d'appui des éléments roulants de forme incurvée de sorte à autoriser la liaison rotule entre la bague externe et la bague interne au niveau de ladite zone. Une telle zone augmente le degré de souplesse de la liaison rotule qui s'articule ainsi essentiellement entre la bague externe et les éléments roulants. [0024] De manière alternative, la bague interne comprend une zone d'appui des éléments roulants dont la forme est incurvée de sorte à autoriser une inclinaison de la bague interne par rapport à la bague externe, c'est-à-dire de sorte à autoriser la liaison rotule entre la bague interne et la bague externe. Une telle zone augmente le degré de souplesse de la liaison rotule qui s'articule ainsi essentiellement entre la bague interne et les éléments roulants. [0025] Selon un aspect de l'invention, le palier de guidage comprend en outre un joint, par exemple à brosse, s'étendant entre la bague externe et la bague interne, configuré pour assurer l'étanchéité entre la bague externe et la bague interne quel que soit l'angle relatif entre les axes des deux bagues. [0026] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront lors de la description qui suit faite en regard des figures annexées données à titre d'exemples non limitatifs et dans lesquelles des références identiques sont données à des objets semblables : - la figure 1 est une vue partielle en coupe axiale d'une turbomachine selon l'invention comprenant une pièce de liaison dans laquelle sont montés un arbre de boîte de transmission et un arbre de turbine, un palier de guidage et un carter structural, - la figure 2 illustre les degrés de liberté de certains éléments de la turbomachine de la figure 1. DESCRIPTION DETAILLEE [0027] L'invention peut trouver son application dans tout type de turbomachine, notamment d'aéronef, telle qu'un turboréacteur, un turbomoteur etc. Une telle turbomachine 1 comprend un rotor mobile par rapport à un stator fixe. Le rotor comprend au moins un compresseur et au moins une turbine (non représentées). Le stator comprend une chambre de combustion (non représentée), disposée entre le compresseur et la turbine, et un carter structural 3 illustré aux figures 1 et 2. [0028] En fonctionnement de la turbomachine, de l'air prélevé à l'extérieur est acheminé par un conduit d'entrée d'air (non représenté) jusqu'au compresseur qui délivre l'air comprimé à la chambre de combustion dans laquelle il est mélangé avec du carburant. Les gaz issus de la combustion de mélange permettent alors d'entraîner la turbine qui entraîne à son tour un arbre de turbine 28. [0029] L'arbre de turbine 28 est solidaire d'un arbre 30 d'une boîte de transmission (Power Gear Box, PGB en langue anglaise, non représentée) de la turbomachine 1, appelé ci- après arbre de PGB 30, qui permet, par exemple, l'entraînement d'hélices de l'aéronef. [0030] L'arbre de PGB 30 comprend de manière connue une portion en accordéon 31 configurée pour apporter une souplesse à l'arbre de PGB 30 afin de le réaligner avec l'arbre de turbine 28 après que l'un des deux arbres ait subi une déformation mécanique. La portion en accordéon 31 limite ainsi la transmission d'effort de tension ou de cintrage entre l'arbre de PGB 30 et l'arbre de turbine 28. [0031] La boîte de transmission peut se présenter, par exemple, sous la forme d'un réducteur différentiel (non représenté) qui permet de transmettre un couple, par exemple à des hélices, en fonction du couple reçu par l'arbre de PGB 30. [0032] Comme illustré par la figure 1, le turbopropulseur 1 comprend une pièce de liaison 38 de forme sensiblement cylindrique dans laquelle sont montés bout à bout l'arbre de PGB 30 et l'arbre de turbine 28. La pièce de liaison 38 remplit ainsi une fonction d'interface entre l'arbre de PGB 30 et l'arbre de turbine 28. [0033] Les axes de la pièce de liaison 38, de l'arbre de PGB amont 30 et de l'arbre de turbine aval 28 sont ainsi montés sensiblement coaxiaux selon l'axe longitudinal XX' de la turbomachine 1. Les termes « amont » et « aval » s'entendent par rapport au sens global du flux d'air circulant dans la turbomachine en fonctionnement. [0034] L'extrémité de l'arbre de PGB 30 et l'extrémité de l'arbre de turbine 28 sont montées bout à bout dans la pièce de liaison 38, chacune par une liaison par cannelures. Ainsi, afin de solidariser en rotation la pièce de liaison 38, l'arbre de PGB 30 et l'arbre de turbine 28, la pièce de liaison 38 comprend une première pluralité de cannelures amont 40a disposées sur une première portion cylindrique amont de sa surface intérieure et une deuxième pluralité de cannelures aval 42a, représentées en pointillés, disposées sur une deuxième portion cylindrique de sa surface intérieure. [0035] De même, l'extrémité de l'arbre de PGB 30 comprend une pluralité de cannelures aval 40b complémentaire de la première pluralité de cannelures amont 40a de la pièce de liaison 38 et l'extrémité de l'arbre de turbine 28 comprend une pluralité de cannelures amont 42b, représentées en pointillés, complémentaire de la deuxième pluralité de cannelures aval 42a de la pièce de liaison 38. [0036] La pièce de liaison 38, l'arbre de PGB 30 et l'arbre de turbine 28 sont solidaires en rotation de l'arbre de turbine mais l'arbre de PGB 30 et l'arbre de turbine 28 ne sont pas liés entre eux directement, ce qui permet avantageusement le montage ou le démontage de l'un des arbres dans la pièce de liaison 38 indépendamment de l'autre et permet donc d'éviter l'utilisation de matériel spécifique de maintien des arbres lors de leur montage ou démontage. [0037] De plus, un tel agencement empêche que les contraintes mécaniques, par exemple de cintrage, subies par l'un des arbres ne se répercutent directement sur l'autre. En outre, un tel agencement autorise, lorsque les liaisons par cannelures et/ou la pièce de liaison sont souples, un désalignement des arbres entre eux afin d'atténuer la transmission des contraintes subies. De plus, la pièce de liaison 38 permet de conserver la rigidité de l'ensemble qu'elle forme avec l'arbre de PGB 30 et l'arbre de turbine 28, ce qui permet d'éviter un contact des arbres avec d'autres éléments du turbopropulseur. [0038] Afin de maintenir la pièce de liaison 38 du turbopropulseur 1, un palier de guidage 44 est disposé entre la pièce de liaison 38 et le carter structural 3. Ce palier 44 comprend une bague interne 46 montée solidairement sur la pièce de liaison 38 et une bague externe 48 montée solidairement sur le carter structural 3, la bague interne 46 étant disposée coaxialement à l'intérieur de la bague externe 48. [0039] Le palier de guidage 44 comprend en outre deux ensembles de billes 50a et 50b disposées annulairement entre la bague interne 46 et la bague externe 48 de sorte que celles-ci puissent tourner l'une par rapport à l'autre, formant ainsi un roulement à billes. [0040] Les deux ensembles de billes 50a et 50b sont décalés axialement et logées dans des gorges annulaires 53 dans lesquelles elles sont maintenues axialement. [0041] Comme illustré par les figures 1 et 2, le palier de guidage 44 est configuré pour autoriser un désaxement relatif des bagues interne 46 et externe 48, c'est à dire une articulation angulaire des deux bagues par rapport à l'axe XX' du turbopropulseur 1. [0042] Il va de soi que tout élément roulant comprenant une portion axiale de forme au moins en partie arrondie pour autoriser une inclinaison de la bague interne 46 par rapport à la bague externe 48 peut être utilisé à la place des billes. [0043] Comme illustré par la figure 2, pour obtenir un tel débattement angulaire, le palier de guidage 44 est configuré pour former une liaison rotule R entre la bague interne 46 et la bague externe 48, c'est-à-dire, in extenso, entre la pièce de liaison 38 et le carter structural 3. [0044] Plus précisément, la bague externe 48 comprend une portion incurvée 52 permettant d'articuler la bague externe par rapport aux rangées de billes 50a et 50b. La zone incurvée 52 possède une section en forme de V dont la pointe est orientée radialement vers l'extérieur de manière à ce que les branches du V soient respectivement en contact avec les billes 50a, 50b. [0045] Ainsi, un désaxement Dl, D2 de l'un des deux arbres 28, 30 par rapport à l'axe de la turbine XX', provoqué par exemple par un cintrage de l'arbre de turbine 28, entraîne un déplacement angulaire de la pièce de liaison 38 qui s'articule autour de la liaison rotule R du palier de guidage 44. [0046] Une telle articulation autorise une déformation de l'un des deux arbres 28, 30 sans répercussion importante sur l'autre arbre tout en permettant de conserver une rigidité suffisante de l'ensemble pour éviter que la déformation de l'un des arbres 28, 30 n'entraîne un contact avec d'autres éléments du turbopropulseur 1 qui pourrait les endommager. [0047] Par ailleurs, la pièce de liaison 38 et les liaisons par cannelures (40a, 40b) et (42a, 42b) permettent de désolidariser axialement l'arbre de PGB 30 de l'arbre de turbine 28 qui ne sont plus emmanchés l'un dans l'autre comme dans les solutions de l'art antérieur. [0048] La liaison par cannelures (40a, 40b) autorise en outre un déplacement axial Al de l'arbre de PGB 30 par rapport à la pièce de liaison 38. Une déformation de l'arbre de PGB 30 pourra ainsi être au moins en partie absorbée par un tel déplacement axial Al, ce qui réduit les effets d'une telle déformation, notamment, sur la pièce de liaison 38 et sur l'arbre de turbine 28. [0049] De même, la liaison par cannelures (42a, 42b) autorise un déplacement axial A2 de l'arbre de turbine 28 par rapport à la pièce de liaison 38. Une déformation de l'arbre de turbine 28 pourra ainsi être au moins en partie absorbée par un tel déplacement axial A2, ce qui réduit les effets d'une telle déformation, notamment, sur la pièce de liaison 38 et sur l'arbre de PGB 30. La pièce de liaison 38 remplit ainsi une fonction d'amortissement axial entre les arbres. [0050] De manière préférée, en référence aux figures 1 et 2, le palier de guidage 44 comprend en outre un joint à brosse 54, s'étendant entre la bague externe 48 et la bague interne 46 et configuré pour assurer l'étanchéité entre la bague externe 48 et la bague interne 46 quel que soit l'angle relatif entre les axes des bagues. REVENDICATIONS1. Turbomachine (1), notamment pour aéronef, comprenant un arbre de boîte de transmission (30) et un arbre de turbine (28) caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une pièce de liaison (38) de forme annulaire par laquelle sont reliées solidairement en rotation une extrémité de l'arbre de boîte de transmission (30) et une extrémité de l'arbre de turbine (28). 2. Turbomachine selon la revendication 1, dans laquelle l'extrémité de l'arbre de boîte de transmission (30) est reliée à la pièce de liaison (38) par une première liaison par cannelures (40a, 40b) et l'extrémité de l'arbre de turbine (28) est reliée à la pièce de liaison (38) par une deuxième liaison par cannelures (42a, 42b). 3. Turbomachine selon la revendication précédente, dans laquelle la pièce de liaison (38) comprend deux pluralités de cannelures (40a, 42a) sur sa surface intérieure et l'extrémité de l'arbre de boîte de transmission (30) et l'extrémité de l'arbre de turbine (28) sont montées dans la pièce de liaison (38). 4. Turbomachine selon l'une des revendications précédentes, ladite turbomachine (1) comprenant un carter structural (3) et un palier de guidage (44) de la pièce de liaison (38) par rapport au carter (3), le palier de guidage (44) étant monté entre la pièce de liaison (38) et le carter (3). 5. Turbomachine selon la revendication 4, dans laquelle le palier de guidage (44) comprend une bague externe (48) montée sur le carter (3), une bague interne (46) montée sur la pièce de liaison (38) et au moins un élément roulant (50a, 50b) configuré pour autoriser le roulement de la bague externe (48) autour de la bague interne (46). 6. Turbomachine selon l'une des revendications 4 et 5, dans laquelle le palier de guidage (44) est configuré pour former une liaison rotule (R) autorisant un débattement angulaire relatif de la pièce de liaison (38) par rapport au carter (3). 7. Turbomachine selon la revendication 6, dans laquelle les éléments roulants (50a, 50b) comprennent une portion axiale de forme au moins en partie arrondie pour autoriser une inclinaison de la bague interne (46) par rapport à la bague externe (48). 8. Turbomachine selon l'une des revendications 4 à 7, dans laquelle le palier de guidage (44) comprend deux pluralités de billes (50a, 50b) disposées en deux rangées annulaires. 9. Turbomachine selon l'une des revendications 5 à 8, dans laquelle la bague externe (48) comprend une zone d'appui (52) des éléments roulants (50a, 50b) de forme incurvée de 10 sorte à autoriser une inclinaison de la bague interne (46) par rapport à la bague externe (48). 10. Turbomachine selon l'une des revendications 5 à 9, dans laquelle la bague interne comprend une zone d'appui des éléments roulants dont la forme est incurvée de sorte à autoriser une inclinaison de la bague interne par rapport à la bague externe.