Brevet FR3063313A1 — publié le 20180831

S61705 FR JCI-P 1 AGENCEMENT D'ENTREE DE MOTEUR D'AERONEF COMPRENANT UN DECOUPLEUR MECANIQUE DESCRIPTION L'invention concerne un agencement d'entrée de moteur d'aéronef comprenant un découpleur mécanique. La configuration d'entrée d'une turbomachine à laquelle l'invention pourra être appliquée est décrite au moyen de la figure 1. Elle comprend une entrée 1, suivie classiquement de compresseurs à basse pression 2 et à haute pression 3, d'une chambre de combustion 4, puis de turbines. Une veine 5 annulaire d'écoulement des gaz parcourt la machine sur toute sa longueur et entoure un arbre à haute pression 6 et un arbre à basse pression 7 qui sont concentriques et respectivement associés au compresseur à haute pression 3, et au compresseur à basse pression 2. Les arbres 6 et 7 sont retenus par des roulements, parmi lesquels on mentionnera un roulement 8 d'entrée, adjacent à l'entrée 1, à l'extrémité avant de l'arbre à basse pression 7. La machine représentée est à double flux, la veine 5 se divisant à l'endroit du compresseur à haute pression 3 pour former un flux secondaire 29, ce qui n'est cependant pas indispensable pour implanter l'invention. Le roulement 8 est retenu (figure 2) dans un support 9 de l'arbre à basse pression 7, qui comprend un manchon 10 entourant la bague extérieure du roulement 8 et une virole 11 tronconique s'étendant vers l'avant de la machine en s'évasant à partir du manchon 10. La virole 11 se raccorde à un carter d'entrée 12, à l'entrée de la veine 5 et formé en partie de bras 27, qui s'étendent radialement vers l'extérieur à travers la veine 5, jusqu'à un carter extérieur 13 qui circonscrit la veine 5. Ces bras 27 sont habituellement nommés redresseurs, car leur but est de redresser le flux avant qu'il n'arrive sur le premier étage d'aubes mobiles et ils ont donc un rôle aérodynamique. Ils peuvent être rayonnants ou s'étendre tangentiellement au moyeu qui délimite la veine 5 au rayon intérieur, avec donc une inclinaison dans la direction angulaire du moteur. En général, ils sont composés d'une partie fixe en amont qui peut présenter un angle par rapport au flux et d'une deuxième partie à calage variable en aval, et il y a entre douze et vingt bras 27. Comme ils 3063313 S61705 FR JCI-P 2 supportent le premier palier de l'arbre basse pression 7, ils ont donc également un rôle structural et forment le carter d'entrée 12. La veine 5 est délimitée intérieurement, à l'entrée 1, par un cône d'entrée 14 qui couvre le support 9. Un fonctionnement anormal de la machine peut apparaître dans 5 certaines situations d'avarie, comme la perte d'une aube du compresseur basse pression 3, le plus souvent une aube 18 du premier étage, après une collision avec un objet étranger, qui introduit un balourd important dans l'arbre concerné, en général l'arbre à basse pression 7. Si un mode propre du rotor concerné (ce rotor comprenant ici le compresseur à basse pression 2 et l'arbre à basse pression 7) est proche du régime de 10 rotation, le balourd amplifie très fortement la réponse vibratoire, et des efforts considérables sont exercés dans la structure du moteur. Une possibilité de remédier à cette situation est de renforcer suffisamment la structure de la machine aux endroits sensibles, mais au prix d'un alourdissement conséquent. 15 On a aussi entrepris de permettre le relâchement des efforts par des découpleurs qui correspondent à des fusibles mécaniques, cédant à l'apparition des efforts élevés consécutif à de cette situation d'avarie. Quand le découpleur est découplé, on diminue le nombre de paliers supportant le rotor, par exemple en laissant seulement un palier au niveau du compresseur basse pression. Le montage du rotor devient alors plus 20 lâche, les modes propres du compresseur sont abaissés pour passer nettement au-dessous du régime de rotation en moulinet défini ci-dessous, et les contraintes dans la structure ne deviennent pas excessives. Un exemple de découpleur mécanique est décrit dans le document FR-A-2 956 454. Le support d'un des roulements de support de l'arbre susceptible de subir 25 l'avarie est monté sur le reste de la machine par un élément qui se rompt quand un seuil d'effort est atteint ; cet élément consiste souvent en un cercle de vis de fixation spéciales, qui comprennent une partie amincie que les efforts peuvent cisailler. Quand le seuil de rupture est atteint, le roulement cesse d'être soutenu par le reste de la machine et le rotor reste soutenu seulement par un autre roulement, ce qui lui permet de se désaxer par une rotation en moulinet (« windmilling »), mais en exerçant des charges moins élevées sur la 3063313 S61705 FR JCI-P 3 structure du moteur et avec une réponse vibratoire moins forte à cause de l'abaissement des modes propres. De tels découpleurs mécaniques donnent satisfaction, mais il peut toutefois être difficile de construire le découpleur dans le volume de petites dimensions 5 qui contient le support 9. Un objet de l'invention est ainsi de se prémunir contre le risque d'avaries importantes dans la machine en cas de rupture d'aubes, notamment à l'entrée, et elle repose encore sur l'emploi d'un découpleur mécanique apte à se rompre à un seuil d'effort déterminé, correspondant à une avarie, alors que les autres structures restent 10 intactes. L'emplacement de celui-ci est toutefois différent. Selon l'invention, le découpleur est désormais préférentiellement placé au sommet des bras, à leur jonction avec le carter extérieur. Pour résumer, un aspect général de l'invention est un agencement d'entrée de moteur d'aéronef comprenant un rotor à arbre tournant central, un support 15 de l'arbre entourant l'arbre et porteur d'un palier dans lequel l'arbre est retenu, un carter extérieur entourant une veine d'écoulement de gaz et un carter d'entrée joignant le carter extérieur au support de l'arbre, caractérisé en ce qu'il comprend, à une jonction entre le carter extérieur et le carter d'entrée, un découpleur mécanique conçu pour céder en cas d'avarie du rotor. 20 Une plus grande liberté d'aménagement qu'aux alentours du roulement et de son support existe, ce qui permet de construire le découpleur avec une plus grande liberté, sans contraindre autant la conception de la machine, malgré le plus grand rayon auquel il est placé. Avantageusement, le découpleur est positionné à une périphérie de la 25 veine d'écoulement des gaz. Le découpleur peut être construit en une matière fragile, qui lui permet de se rompre facilement et immédiatement à l'apparition d'un seuil d'effort, et de créer ainsi un jeu entre le carter extérieur et le carter d'entrée, quand le seuil est atteint. Une matière convenable peut être une céramique qu'on peut choisir 30 précontrainte ou poreuse pour ajuster le seuil de rupture. 3063313 S61705 FR ici-P 4 Un autre aspect de l'invention est un moteur d'aéronef comprenant un tel agencement. L'invention sera maintenant décrite en détail au moyen des figures, qui en illustrent des réalisations particulières qui ne sont pas exclusives d'autres : 5 - les figures 1 et 2, déjà décrites, représentent la portion d'entrée d'un moteur d'aéronef et la liaison d'un premier roulement d'un arbre de compresseur à basse pression à un carter d'entrée ; - la figure 3 représente une réalisation particulière de l'invention ; - et la figure 4, une autre réalisation possible. 10 Comme représenté sur la figure 3, le bord extérieur du carter d'entrée 12 comprend désormais un découpleur 14 intercalé à la jonction avec le carter extérieur 13 à l'extrémité extérieure des bras 27. Il consiste en un bloc 15 de matière fragile, s'appuyant par une face radiale intérieure sur le carter d'entrée 12 et par une face radiale extérieure sur le carter extérieur 13, en leur étant fixé au moyen de vis 16. Le carter extérieur 12 étant 15 composé essentiellement des bras 27, le découpleur 14 peut se trouver à l'extrémité de chacun d'eux ou former une structure annulaire continue ou non, en appui sur un bord extérieur 17 éventuel, continu lui aussi, du carter d'entrée 12. Il peut être logé dans une alvéole du carter extérieur 13, afin de ne pas perturber la régularité de l'écoulement. Le bloc 15 est préférentiellement réalisé en céramique fragile apte à se rompre au-dessus d'un 20 seuil de rupture déterminé. Quand un effort dépassant un seuil de rupture lui est imposé, elle devient friable et se rompt, sa matière se disperse et le carter d'entrée 12 peut jouer et osciller en direction radiale par rapport au carter extérieur 13. La céramique peut être poreuse. Le bloc 15 peut être précontraint entre ses deux faces de fixation, pour abaisser si nécessaire le seuil de rupture et modifier la déformation à laquelle la rupture intervient. 25 Des matériaux convenables peuvent être des céramiques à usages techniques, réalisées par un frittage qui leur donne une grande résistance mécanique, et qui résistent aussi à des températures de plusieurs centaines de degrés. Le seuil de rupture du découpleur peut être ajusté par la porosité de la céramique, sa précontrainte, et l'épaisseur de la couche ou du bloc dont elle est constituée. Des exemples de telles céramiques sont l'alumine et le 30 phosphate de calcium. 3063313 561705 FR JCI-P 5 Quand une rupture d'aube se produit et que le bloc 15 se rompt, le rotor comprenant l'arbre à basse pression 7 n'est plus soutenu par le roulement 8 d'entrée mais par un autre palier 20 situé un peu en aval, à l'endroit d'un carter inter-compresseurs 21 séparant le compresseur basse pression 2 du compresseur haute pression 3, ainsi que par 5 un troisième palier 22 situé tout en aval, à l'endroit d'un carter d'échappement 23, mais qui intervient peu dans le comportement dynamique du rotor à l'endroit du compresseur basse pression 2. On peut donc considérer que cette partie du rotor comprenant le compresseur basse pression 2 n'est plus soutenue que par le palier 20 relié au carter inter-compresseurs 21, ce qui rend son support plus lâche et lui permet de s'axer sur son axe 10 d'inertie propre pendant son autorotation en moulinet et ainsi de transmettre moins d'efforts à la structure de la turbomachine qui comprend le carter d'entrée 12, le carter externe et le carter inter-compresseurs 21. Elle peut donc tourner en moulinet et dissiper ainsi les irrégularités d'effort produites par le balourd. L'entraînement du carter d'entrée 12 en oscillations radiales, qui est un aspect original de l'invention, ne modifie pas 15 fondamentalement cet état : les extrémités des bras 27 oscillent radialement dans les volumes occupés auparavant par le bloc 15, et maintenant libérés par sa rupture et la dispersion de sa matière. Le découpleur de l'invention peut être construit de nombreuses façons différentes, grâce à la liberté relative d'aménagement dans le carter extérieur 13, qui 20 permet aussi un montage plus facile, grâce au volume plus grand que près du roulement 8. Des structures mécaniques à boulon cassant peuvent par exemple être utilisées à la place du bloc 15, ainsi que l'illustre l'agencement de la figure 4. Des vis 24 orientées dans la direction axiale X de la machine relient l'extrémité extérieure des bras 27 au carter extérieur 13. Les vis 24 sont des vis fusibles, pourvues d'une restriction de section 25 entre 25 ses raccordements au bras 27 et au carter extérieure 13 et qui constitue une amorce de rupture quand les efforts passant par les bras, exercent un cisaillement sur les vis 24. Un jeu radial 26 est prévu entre les bras 27 et le carter extérieur 13, afin de permettre le débattement libre du rotor, après la rupture ; ce jeu se retrouve aussi dans des réalisations telles que celle de la figure 3, quand le bloc 15 s'est désintégré. Dans tous les cas, le jeu 30 radial 26 doit être plus grand que le désaxage créé par le balourd. Comme dans la 3063313 561705 FR ici-P 6 réalisation précédente, le découpleur peut être logé à l'extrémité des bras 27, dans des alvéoles 28 du carter extérieur 13. Toutefois, l'utilisation de blocs de matériau fragile peut se révéler avantageuse. Dans le cas où les bras 27 ne sont pas strictement radiaux, un effort 5 tranchant se crée aux liaisons entre le carter d'entrée 12 et le carter extérieur 13, ce qui facilite la conception du découpleur. En effet, cet effort étant très prépondérant en cas de balourd, il est plus facile de déterminer un seuil de rupture. REVENDICATIONS1) Agencement d'entrée de moteur d'aéronef comprenant un rotor à arbre (7) tournant central, un support (9) de l'arbre entourant l'arbre et porteur d'un palier (8) dans lequel l'arbre (7) est retenu, un carter extérieur (13) entourant une veine d'écoulement de gaz (5) et un carter d'entrée (12) joignant le carter extérieur (13) au support (9) de l'arbre (7), caractérisé en ce qu'il comprend, à une jonction entre le carter extérieur (13) et le carter d'entrée (12), un découpleur (14, 24) mécanique conçu pour céder en cas d'avarie du rotor. 2) Agencement d'entrée de moteur d'aéronef selon la revendication 1, caractérisé en ce que le découpleur (14) est construit en une matière fragile. 3) Agencement d'entrée de moteur d'aéronef selon la revendication 2, caractérisé en ce que la matière fragile est une céramique. 4) Agencement d'entrée de moteur d'aéronef selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la matière fragile est précontrainte. 5) Agencement d'entrée de moteur d'aéronef selon la revendication 3, caractérisé en ce que la céramique est poreuse. 6) Agencement d'entrée de moteur d'aéronef selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le découpleur (14) comprend un bloc (15) de structure annulaire ayant une face radiale intérieure s'appuyant sur le carter d'entrée (12) et une face radiale extérieure s'appuyant sur le carter extérieur (13). 7) Agencement d'entrée de moteur d'aéronef selon la revendication 1, caractérisé en ce que le découpleur (24) comprend des pièces de liaison du carter d'entrée (12) au carter extérieur (13) comprenant une amorce de rupture (25). 8) Agencement d'entrée de moteur d'aéronef selon la revendication 7, caractérisé en ce que les pièces de liaison sont des vis orientées en direction axiale (X) du moteur. 9) Agencement d'entrée de moteur d'aéronef selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le découpleur (14, 24) est positionné à une périphérie de la veine d'écoulement des gaz (5). 3063313 S61705 FR JCI-P 8 10) Agencement d'entrée de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le découpleur (14, 24) est logé dans une alvéole (28) du carter extérieur (13). 11) Moteur d'aéronef, caractérisée par un agencement conforme à l'une 5 quelconque des revendications précédentes.