Brevet FR3040733A1 — publié le 20170310

Carter pour machines tournantes et en particulier pour turbomachines La présente invention concerne un carter pour machines tournantes et en particulier pour turbomachines. Elle concerne également des machines pourvues d'un tel carter et un procédé de fabrication du carter. L'invention trouve des applications dans la réalisation ou l'équipement de turbomachines telles que des turboréacteurs ou des turbocompresseurs. Elle peut avantageusement être mise en oeuvre dans la fabrication de propulseurs d'aéronefs ou pour l'équipement de moteurs à combustion de véhicules automobiles. Toutefois, un carter selon l'invention peut être adapté à toute machine tournante présentant une turbine ou un élément rotatif susceptible d'être entrainé à des vitesses de rotation élevées et de générer des contraintes mécaniques et thermiques importantes. Etat de la technique antérieure L'état de la technique peut être illustré par les carters de turbocompresseurs pour voitures automobiles. Afin d'augmenter la puissance des moteurs thermiques, ceux-ci peuvent être pourvus d'une turbine logée dans un carter et placée dans le flux des gaz d'échappement sortant dudit moteur. La turbine est entraînée à grande vitesse par les gaz. La turbine est reliée à un compresseur, de préférence de type rotatif, disposé dans le conduit d'admission du moteur thermique. Le compresseur comprend une deuxième turbine reliée à la première par l'intermédiaire d'un arbre. De la sorte, le turbocompresseur comprend une première turbine entraînante mise en rotation par le flux des gaz d'échappement émis par le moteur à combustion interne et une deuxième turbine de compression solidaire en rotation de la première. Ce dispositif permet d'augmenter la pression de l'air admis dans le moteur et, par conséquent, la puissance de ce dernier. 3040733 2 Actuellement, les carters de turbocompresseurs utilisés sur les moteurs thermiques, sont fabriqués par des procédés traditionnels du type fonderie métallique. s Ces carters, de même que ceux utilisés dans d'autres domaines techniques présentent un certain nombre d'inconvénients et de limites. Parmi ceux-ci on peut citer un poids relativement élevé dû à des épaisseurs de matière importante de leur peau externe. Cette épaisseur de matière est prévue de manière à résister à des contraintes mécaniques élevées et de 10 manière à contenir, si nécessaire, les éclats de la turbine en cas d'explosion de celle-ci. Une autre difficulté rencontrée avec les carters usuels est l'évacuation de la chaleur qui est générée, notamment par le passage de gaz et par la rotation de la turbine. 15 Exposé de l'invention L'invention a pour objectif de proposer un carter présentant des caractéristiques mécaniques et thermiques améliorées permettant d'obvier 20 ces difficultés et permettant d'être mis en oeuvre dans des machines tournantes sujettes à des contraintes thermiques et mécaniques élevées. L'invention a également pour objectif de proposer un carter allégé et capable de résister, le cas échéant, à une casse de la turbine. 25 Ainsi, l'invention propose un carter pour machines tournantes, en particulier pour turbomachines, comprenant une chambre destinée au logement d'une turbine, et un conduit de circulation de gaz débouchant dans ladite chambre. Conformément à l'invention, le carter comprend au moins un évidement entourant au moins une partie du conduit de circulation 30 de gaz. 3040733 3 Le carter peut comporter un ou plusieurs évidements, ouverts ou fermés, communiquant entre eux ou non. L'évidement ou les évidements sont ménagés préférentiellement 5 dans une partie massive du carter, et en particulier à l'intérieur de l'enveloppe du carter, autour du conduit de circulation de gaz. L'évidement peut entourer tout ou partie du conduit de gaz selon sa section, et sur tout ou partie de sa longueur. De préférence, l'évidement s'étend sur plus de la moitié de la longueur du conduit de circulation de gaz et entoure le conduit 10 sur plus de la moitié de sa section. L'une des fonctions de l'évidement est d'alléger le carter. Ainsi, l'évidement peut simplement se présenter sous la forme d'une chambre creuse. Toutefois, et de préférence, on peut prévoir que l'évidement 15 contienne une structure de renforcement, de manière que l'évidement ne fragilise pas le carter, mais le renforce. La structure de renforcement peut être une structure à maillage rigide, ou une structure alvéolaire. La structure de renforcement peut être réalisée dans le même matériau que la partie massive du carter. Elle peut être réalisée en acier, en titane, en aluminium 20 ou en des alliages de ces matériaux. Il s'agit, par exemple, d'un maillage de fils métalliques. La structure de renforcement peut aussi être réalisée en un matériau différent de celui du carter. Il s'agit, par exemple d'une structure compacte 25 en un matériau plus léger, c'est-à-dire moins dense que le matériau de la partie massive de l'enveloppe du carter. Un passage de fluide, en particulier d'un fluide caloporteur, est de préférence ménagé dans la structure de renforcement. Ceci est le cas 30 notamment lorsque la structure de renforcement est faite d'un maillage ou 3040733 4 d'une structure à alvéoles ouvertes. Le fluide peut alors passer dans les alvéoles ou dans les jours du maillage. La structure de renforcement peut présenter des mailles ou des 5 alvéoles selon un motif de répétition régulier, par exemple une structure en nid d'abeille, ou éventuellement un motif irrégulier. Dans ce dernier cas, le motif peut avantageusement être plus serré dans des régions de contraintes élevées du carter et plus lâche dans des régions à moindres contraintes. 10 L'évidement ménagé dans le carter peut constituer une chambre fermée. Il peut aussi être pourvu d'un ou de plusieurs raccords. Les raccords peuvent servir lors de la fabrication du carter pour introduire la structure de renforcement dans l'évidement. Il s'agit, par exemple, d'un 15 fluide de matière pulvérulente qui vient combler l'évidement par colmatage. Des raccords peuvent aussi être prévus pour relier au carter un ou plusieurs circuits de refroidissement et faire circuler dans le ou les évidements un fluide caloporteur. Par exemple, un ou plusieurs raccords d'entrée et un ou plusieurs raccords de sortie peuvent être prévus. 20 L'utilisation d'une pluralité de raccords d'entrée et/ou de sortie peut notamment être envisagée pour contrôler indépendamment la température de plusieurs zones du carter ou pour maintenir à l'intérieur du carter un fluide caloporteur de température sensiblement homogène. 25 L'invention concerne aussi un procédé de réalisation d'un carter conforme à l'invention avec un ou plusieurs évidements, comprenant une étape de fabrication additive couche par couche. La fabrication de structures couches par couches est en soi connue. 30 Un modèle virtuel du carter est créé en trois dimensions sur un ordinateur de manière de générer des données de CAO 3D à trois 3040733 5 dimensions. Ces données sont converties en données de fabrication par couches en deux dimensions. Enfin, les données par couches en deux dimensions sont utilisées pour déposer de la matière en couches fines, typiquement de 20 à 100 micromètres. 5 La formation des couches successives peut comporter, par exemple, le dépôt de poudres et leur fusion par laser. L'invention concerne enfin une turbomachine comprenant un turboréacteur ou un turbocompresseur avec un carter conforme à l'invention et une turbine logée dans le carter. 10 En particulier, la turbomachine peut comporter un turbocompresseur et un moteur à combustion interne auquel le turbocompresseur est associé. Dans ce cas, le conduit de circulation de gaz du carter est relié à une sortie de gaz d'échappement du moteur. 15 Le gaz d'échappement entraine alors une turbine d'entrainement qui à son tour peut être couplée à une deuxième turbine d'un compresseur, de manière connue. Brève description des figures. 20 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, donnée à titre d'illustration. Elle fait référence aux figures des dessins annexés dans lesquels : 25 La figure 1 est une vue de face et en coupe, d'un carter de turbocompresseur classique. La figure 2 est une vue de face et en coupe d'un premier mode de réalisation d'un carter conforme à l'invention. 30 La figure 3 est une vue en coupe selon le plan A-A' de la figure 2. 3040733 6 La figure 4 est une vue de face et en coupe d'un deuxième mode de réalisation d'un carter conforme à l'invention incorporant une structure maillée allégée de renfort. 5 La figure 5 est une coupe de détail, à plus grande échelle, d'une partie d'un carter similaire au carter de la figure 4 avec une structure de renforcement en nid d'abeille. 10 La figure 6 est une vue en perspective et en coupe d'un troisième mode de réalisation de carter de turbocompresseur selon l'invention. La figure 7 est une vue de détail, à échelle agrandie, d'une partie de la figure 6. 15 Description détaillée de modes de mises en oeuvre de l'invention. On se reporte aux dessins pour décrire des exemples intéressants, quoique nullement limitatifs, de carters pour machines tournantes réalisés 20 selon l'invention. La figure 1 représente un carter 1 utilisé pour des turbocompresseurs de type connu. Il présente, dans sa partie centrale, une chambre 2 destinée au 25 logement d'une turbine d'entraînement T. Un conduit ou canal 3 de circulation de gaz, est ménagé dans la masse du carter 1, autour de la chambre centrale 2. Dans le cas d'un turbocompresseur le conduit 3 est relié à l'échappement d'un moteur à combustion interne M. 30 Ce conduit 3 présente une forme en spirale ou une forme de volute avec une extrémité d'entrée 3a. Il débouche dans la chambre 2 et 3040733 7 communique avec la turbine T représentée très schématiquement. Dans l'application aux turbocompresseurs destinés à améliorer la puissance et le rendement des moteurs thermiques, l'extrémité d'entrée 5 communique, avec la sortie du gaz d'échappement d'un moteur M. La turbine T d'entraînement est alors soumise au flux des gaz d'échappement. Elle entraîne, par exemple, une turbine de compression non représentée qui aspire et comprime l'air ambiant et l'envoie dans les cylindres du moteur, en améliorant ainsi le remplissage de ces derniers, ce qui permet 10 d'augmenter la quantité de mélange air/carburant entrant dans lesdits cylindres. La figure 2 illustre une possibilité de mise en oeuvre de l'invention pour un carter comparable à la figure 1. Des références identiques sont 15 utilisées pour indiquer des parties identiques ou similaires décrites en référence à la figure 1 de manière que l'on puisse s'y reporter. On peut observer qu'un évidement 4 est ménagé dans la partie du carter 1 qui entoure le conduit ou canal 3 de circulation des gaz d'échappement. Dans la direction transversale, cet évidement 4 s'étend sur une distance angulaire 20 correspondant approximativement à la distance angulaire que le conduit 3 parcourt autour de la chambre 2. L'évidement 4 est ménagé dans une partie massive du carter comprise entre une peau extérieure et une peau intérieure du carter. Il présente une section qui décroît en direction du sens de circulation des gaz dans le conduit 3. 25 Dans la mise en oeuvre illustré par la figure 2, l'évidement 4 constitue une chambre creuse ménagée dans une partie massive du carter. La disposition de l'évidement autour de la chambre 3, sur au moins une partie de sa section, est également visible sur la figure 3. L'évidement 4 30 se prolonge pour entourer également une partie de la chambre 2. Comme le montre la figure 4, l'évidement 4 peut contenir une 3040733 8 structure de renforcement 5. II s'agit ici d'une structure maillée, rigide et légère. Cette structure maillée rigide peut comporter un treillis formé par un entrecroisement de fils métalliques rigides reliés les uns aux autres selon un motif régulier ou non. Elle peut être formée dans le même matériau que 5 la paroi ou la partie massive du carter 1. Elle peut aussi être formée dans un matériau plus léger que le matériau du carter. La structure de renforcement 5 assure une bonne rigidité de la paroi du carter 1, sans augmentation de la masse de celui-ci. Tout en améliorant 10 la résistance à l'éclatement de la turbine non représentée, elle permet, en cas d'éclatement de celle-ci, d'absorber l'énergie qui en résulte. Ainsi, les palettes et débris de la turbine restent confinés dans le corps du carter et perdent leur dangerosité. 15 Selon une variante de réalisation du carter de la figure 4, la structure de renforcement peut aussi être une structure à alvéoles, ouvertes ou fermées, par exemple une structure en nid d'abeille, comme le montre la figure 5. 20 La figure 6, montre un carter conforme à l'invention dans lequel d'évidement est mis à profit pour former un échangeur thermique. Tout comme le carter de la figure 4, l'évidement 4 est pourvu d'une structure de renforcement 5. La structure de renforcement est une structure maillée qui de ce fait ménage un passage pour un fluide caloporteur qui peut passer 25 entre les mailles. Un circuit de circulation du fluide caloporteur, représenté symboliquement avec la référence 10, est relié à un raccord d'entrée 12a et à un raccord de sortie 14, prévus sur l'évidement 4 le long du canal de gaz 3. Le raccord d'entrée 12a et le raccord de sortie 14 sont prévus notamment aux extrémités 4a et 4b de l'évidement 4. Un ou plusieurs 30 raccords d'entrée intermédiaires peuvent être prévus. Sur la figure 6 on représente un raccord d'entrée intermédiaire 12b. Il permet d'éviter qu'un 3040733 9 fluide caloporteur de plus en plus chaud ne circule le long de l'évidement 4. Il convient de noter que la structure de renforcement 5, à travers laquelle s'écoule le fluide caloporteur depuis le ou les raccords d'entrée et vers le ou les raccords de sortie participe à une fonction d'échange thermique entre le 5 carter et le fluide. La figure 7 montre que le maillage de la structure de renforcement n'est pas nécessairement régulier. Le motif de la structure peut en effet être irrégulier de manière à former des mailles, ou le cas échéant des alvéoles, 10 de dimensions différentes. Le caractère irrégulier de la structure peut être avantageusement mis à profit pour créer des zones de plus ou moins forte résistance mécanique, de plus ou moins forte capacité d'échange thermique ou encore des zones ménageant un plus ou moins fort débit de fluide caloporteur. 15 REVENDICATIONS1. Carter pour machines tournantes, en particulier pour turbomachines, comprenant une chambre (2) destinée au logement d'une turbine, et un conduit (3) de circulation de gaz débouchant dans ladite chambre, caractérisé par au moins un évidement (4) entourant au moins une partie du conduit de circulation de gaz (3). 2. Carter selon la revendication 1, dans lequel l'évidement contient une structure de renforcement (5). 3. Carter selon la revendication 2, dans lequel un passage de fluide est ménagé dans la structure de renforcement (5). 4. Carter selon l'une des revendications 2 ou 3 dans lequel la structure de renforcement (5) est choisie parmi une structure alvéolaire et une structure maillée. 5. Carter selon la revendication 4, dans laquelle la structure de renforcement (5) présente un motif de répétition choisi parmi un motif régulier et un motif irrégulier. 6. Carter selon la revendication 2, dans lequel l'évidement (4) est ménagé dans une partie massive du carter, et dans lequel la structure de renforcement comprend un matériau moins dense que la partie massive du carter. 7. Carter selon la revendication 1, dans lequel l'évidement est pourvu d'au moins un raccord (12a, 12b, 14) pour une connexion fluidique. 3040733 11 8. Carter selon la revendication 7, comportant au moins un raccord d'entrée (12a,12b) et au moins un raccord de sortie (14), le raccord d'entrée et le raccord de sortie étant reliés à un circuit de circulation (10) d'un fluide caloporteur. 5 9. Carter selon la revendication 1, dans lequel l'évidement forme une chambre fermée. 10. Procédé de fabrication d'un carter (1) selon l'une quelconque des 10 revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de fabrication additive couche par couche. 11. Turbomachine comprenant l'un parmi un turboréacteur et un turbocompresseur équipés d'un carter (1) selon l'une des revendications 15 1 à 9, et une turbine logée dans le carter. 12. Turbomachine selon la revendication 11, comprenant un turbocompresseur et un moteur à combustion interne (M), dans laquelle le conduit de circulation de gaz (3) du carter (1) est relié à une sortie de 20 gaz d'échappement du moteur.