Brevet FR3063310A1 — publié le 20180831

S61704 FR JCI-P 1 MOTEUR D'AERONEF COMPRENANT UN PALIER ENTRE DEUX ARBRES CONCENTRIQUES DESCRIPTION Le sujet de l'invention est un moteur d'aéronef comprenant un palier entre deux arbres concentriques, en général un arbre de rotor basse pression et un arbre de rotor haute pression de turbomachine. En cas d'avarie telle qu'une rupture d'aube, en particulier une rupture d'aube basse pression appartenant au rotor basse pression qui peut être provoquée par l'ingestion d'un corps étranger à l'entrée du moteur, le balourd qui apparaît dans ce rotor est responsable de vibrations et de déplacements radiaux importants, surtout si le support d'un des paliers de l'arbre cède et qu'une rotation en moulinet de l'arbre (« windmilling ») apparaît. Des efforts et déplacements importants peuvent alors être communiqués aussi au rotor haute pression par le palier inter-arbres, des contacts entre les rotors associés aux deux arbres deviennent possibles, ainsi que l'extinction ou la destruction du moteur. Le but essentiel de l'invention est de limiter les conséquences de l'apparition d'un balourd, notamment consécutif à une rupture d'aube, sur le rotor resté intact, en limitant les dégâts, efforts et/ou chocs que le rotor endommagé pourrait sinon lui transmettre et en lui permettant ainsi de continuer à fonctionner, au moins en un mode dégradé du moteur, pendant une durée suffisante pour réduire le risque ou la gravité d'un accident. Sous une forme générale, l'invention concerne un moteur d'aéronef comprenant deux arbres concentriques s'étendant dans une direction axiale du moteur, un palier soutenant un premier des arbres, et un support reliant le palier à un second des arbres, caractérisé en ce que le support comprend un découpleur mécanique, composé principalement d'un corps rigide, en appui par deux faces opposées dans une direction radiale du moteur, perpendiculaire à la direction axiale, sur deux faces d'appui respectivement solidaires du second arbre et du palier, le corps rigide étant apte à se rompre à un seuil d'effort à transmettre entre les faces d'appui, et d'un corps amortisseur logé dans une cavité du support délimitée par les faces d'appui. 3063310 S61704 FR JCI-P La principale caractéristique de ce dispositif est qu'il maintient la rigidité du support en fonctionnement normal, avec donc l'absence de risque de faire apparaître des instabilités, contrairement à un support amortissant classique, mais qu'un découplage important des mouvements radiaux est produit entre les arbres en cas d'accident tel 5 qu'une rupture d'aube, qui produit un balourd suffisant à rompre le dispositif. Les mouvements radiaux de l'arbre haute pression sont alors peu affectés par ceux de l'arbre basse pression, et son fonctionnement est donc peu altéré. Ce découplage s'accompagne d'un amortissement susceptible d'atténuer les instabilités du rotor endommagé. En d'autres termes, le système comprend un état où des portions respectives du palier sont 10 respectivement solidaires des arbres et un état où une desdites portions du palier devient mobile dans la direction radiale par rapport à l'arbre dont elle était solidaire, et amortie par rapport audit arbre. Parmi des perfectionnements qu'on peut apporter à cette conception de base, on peut citer les suivants ; le corps rigide est composé de deux parties, délimitant 15 chacune la cavité entre les faces d'appui et protégeant ainsi commodément le corps amortisseur ; le corps rigide est en matière fragile, qui est immédiatement détruite quand le seuil de rupture est atteint, et libère le corps amortisseur ; une matière fragile convenable est une céramique, pouvant être poreuse ; la matière fragile peut être précontrainte ; le corps amortisseur peut être en élastomère, ou consister en un sac rempli 20 d'un fluide. L'invention sera maintenant décrite en liaison aux figures, qui décrivent certaines réalisations possibles de l'invention non exclusives d'autres : - la figure 1 est une vue générale d'un moteur pouvant être équipé de l'invention ; 25 - la figure 2 représente le dispositif caractéristique ; - la figure 3, le même dispositif et le fonctionnement du moteur en cas d'avarie ; - et les figures 4, 5, 6 et 7, quatre variantes de réalisation du corps rigide de l'invention. On se reporte à la figure 1. 3063310 S61704 FR JCI-P Une turbomachine d'aéronef de type classique comprend successivement, le long d'une veine 1 d'écoulement des gaz et dans une direction axiale X, un compresseur basse pression 2, un compresseur haute pression 3, une chambre de combustion 4, une turbine haute pression 5 et une turbine basse pression 6, les 5 compresseurs et les turbines étant composés d'étages d'aubes fixes et mobiles alternant le long de la veine 1. Les aubes mobiles dépendent de rotors comprenant notamment un arbre basse pression 7 dont dépendent les aubes mobiles du compresseur basse pression 2 et de la turbine basse pression 6, et un arbre haute pression 8 dont dépendent les aubes mobiles du compresseur haute pression 3 et de la turbine haute pression 5. Le moteur 10 comprend encore un stator 9 dans lequel les arbres 7 et 8 sont soutenus par des paliers 10, dont certains seulement sont représentés. De plus, un palier 11 peut être ajouté entre les deux arbres 7 et 8, et c'est à cet endroit que l'invention est appliquée. On se reporte maintenant à la figure 2. Le palier 11 peut être un roulement à rouleaux 19 ou autre. Il comprend une bague intérieure 28 qui est ici 15 directement en contact avec l'arbre basse pression 7, et une bague extérieure 27 qui est reliée à l'arbre à haute pression 8 par un support 12, qui est un découpleur comprenant deux parties principales : un corps rigide 13 composé ici de deux rondelles 13a et 13b dont la face radiale intérieure s'appuie sur une face d'appui 17 de la bague extérieure du palier 11, et la face radiale extérieure sur une face d'appui 18 de l'arbre haute pression 8; et un 20 corps amortisseur 14 logé dans une cavité 15 délimitée axialement par les rondelles 13a et 13b, et radialement par la face d'appui 17 de la bague extérieure 27 du palier 11 et la face d'appui 18 de l'arbre haute pression 8. Le support 12 comprend encore des flasques 16a et 16b reliant l'arbre haute pression 8 à la bague extérieure du palier 11 en couvrant les rondelles 13a et 13b et entre lesquels le corps rigide 13 et le corps amortisseur 14 sont 25 placés. La direction radiale du moteur est notée R, perpendiculaire à X. Le corps rigide 13 a pour propriété principale de soutenir le palier 11 en maintenant constante sa distance à l'arbre haute pression 8 dans des conditions normales de fonctionnement, avec des déformations réduites provenant d'une élasticité faible, mais de se rompre s'il est soumis à des efforts anormaux, consécutifs normalement à un balourd 30 important subi par l'un des arbres, notamment l'arbre basse pression 7. Le corps 3063310 S61704 FR ici-P 4 amortisseur 14 est inactif pendant le service normal, et il entre en service seulement à la rupture du corps rigide 13. Il peut être logé dans la cavité 15 avec du jeu au moins en direction radiale R, mais il est plus avantageux qu'il y soit logé sans jeu positif et avec une précontrainte dans la direction radiale R entre les faces d'appui 17 et 18, afin qu'il devienne 5 actif en se comprimant dès le début de la rupture du corps rigide 13. Comme le montre la figure 3 qui représente l'état du dispositif après une rupture d'aube et la rupture du corps rigide 13, l'arbre basse pression 7 subissant le balourd prend alors une rotation en moulinet (« windmilling ») qui le place en biais par rapport à l'autre et le rapproche de lui. Le corps amortisseur 14 est écrasé sur une partie de sa 10 circonférence entre l'arbre haute pression 8 et le palier 11, mais empêche un rapprochement plus important et une instabilité plus grande du système, et l'arbre restant intact (ici et usuellement, l'arbre haute pression 8) subit seulement de faibles déplacements radiaux et peut continuer à faire fonctionner le moteur. Le corps rigide 13 est donc essentiellement indéformable pendant le 15 fonctionnement normal, mais apte à se rompre complètement quand le seuil d'effort pour lequel il a été conçu est atteint. Il comporte plus généralement une amorce de rupture. Soit il s'agit d'une amorce de rupture réalisée par la structure microscopique de matériaux tels que des céramiques à usage technique élaborées généralement avec un frittage qui leur donne une haute résistance mécanique, et qui peuvent résister aussi à des températures 20 élevées. Le matériau est inhomogène et ce sont ses hétérogénéités qui créent les amorces de rupture. Le seuil de rupture peut être ajusté en fabriquant ces céramiques avec une porosité définie, en les montant avec une précontrainte, ou en choisissant judicieusement les dimensions du corps rigide 13. Un bloc de rapport hauteur/largeur proche de 1 est préféré pour construire un tel corps rigide. Soit il s'agit d'une amorce de rupture réalisée 25 par la forme du corps rigide 13, lui permettant de travailler en cisaillement. On choisira dans ce cas un matériau homogène, typiquement du métal. Plusieurs formes sont adaptées pour travailler en cisaillement. On mentionnera, parmi les formes possibles du corps rigide 13 dotées d'une irrégularité de forme permettant de créer cette amorce de rupture : une forme bombée ou arquée 20 dans la direction axiale X (figure 4) ; une forme biconique à 30 section coudée 21 (figure 5), formée de deux portions 22 et 23 d'inclinaisons différentes, 3063310 S61704 FR ici-P 5 - préférablement de sens opposés, aboutissant respectivement aux faces d'appui 17 et 18 et se joignant à mi-hauteur en formant un angle 24; une forme conique à section inclinée 25, encore dans la direction axiale X (figure 6) ; ou une construction en colonnettes 26 inclinées dans la direction angulaire de la machine (figure 7). Pour résumer, l'irrégularité de forme du corps rigide 13 apte à créer une amorce de rupture peut consister en une inclinaison, ou une variation d'inclinaison, dans la direction axiale X et/ou une direction angulaire perpendiculaire à la direction axiale X et à la direction radiale R; le corps rigide 13 peut ainsi comprendre deux portions se succédant dans la direction radiale, dont les inclinaisons sont différentes l'une de l'autre. 10 Quand la section du corps rigide 13 est irrégulière et inclinée, le sens d'inclinaison peut être quelconque. Si le corps rigide 13 comprend deux portions situées de part et d'autre des rouleaux 19 ou plus généralement des éléments roulants du palier 11, comme dans les réalisations représentées, ces portions peuvent être symétriques par rapport à ces éléments roulants. Enfin, le corps rigide 13 peut en général être continu ou 15 discontinu sur la circonférence du palier 11. Les flasques 16a et 16b n'ont pas nécessairement de rôle de résistance mécanique et peuvent donc être souples, mais ils peuvent contribuer à maintenir axialement la bague extérieure 27 du palier 11. Le corps amortisseur 14 a la fonction classique de dissipateur d'énergie et peut consister en un élastomère ou un sac rempli d'un 20 liquide visqueux. Le support 12 et l'ensemble de ses constituants peuvent être continus ou non sur un cercle, comme le corps rigide 13. D'autres dispositions que la cavité 15 s'étendant entre deux parties opposées du corps rigide 13 peuvent aussi être considérées pour loger le corps amortisseur 14. Il est préférable que le corps rigide 13 soit limité par un volume vide dans la direction axiale X (ou deux volumes vides de part et d'autre de lui) afin 25 de permettre son dégagement après la rupture. Enfin, le support 12 pourrait être situé à l'intérieur ou à l'extérieur du palier 11. Le dispositif de l'invention n'a donc pas d'effets défavorables sur le fonctionnement normal du moteur, à cause de la rigidité du corps rigide 13. Après la rupture de celui-ci, l'amortissement auquel est soumis ensuite le système permet d'amortir 3063310 S61704 FR ici-P les chocs inter-arbres tout en éloignant le régime moteur d'une éventuelle fréquence d'instabilité par décélération naturelle. REVENDICATIONS1) Moteur d'aéronef comprenant deux arbres concentriques (7, 8) s'étendant dans une direction axiale du moteur, un palier (11) soutenant un premier des arbres (7), et un support (12) reliant le palier à un second des arbres (8), caractérisé en ce que le support (12) comprend un découpleur mécanique, composé principalement d'un corps rigide (13), en appui par deux faces opposées dans une direction radiale du moteur, perpendiculaire à la direction axiale, sur deux faces d'appui (17, 18) respectivement solidaires du second arbre et du palier, le corps rigide étant apte à se rompre à un seuil d'effort à transmettre entre les faces d'appui, et un corps amortisseur (14) logé dans une cavité (15) du support délimitée par les faces d'appui. 2) Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps rigide est composé de deux parties, délimitant chacune la cavité (15) entre les faces d'appui. 3) Moteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le découpleur est annulaire. 4) Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le corps rigide est en matière fragile. 5) Moteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la matière fragile est une céramique. 6) Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le corps rigide (13) s'étend dans la direction radiale avec une inclinaison dans la direction axiale et/ou une direction angulaire perpendiculaire à la direction axiale et à la direction radiale. 7) Moteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le corps rigide (13) comprend deux portions (22, 23) se succédant dans la direction radiale, l'inclinaison d'une première desdites portions étant différente de l'inclinaison d'une seconde desdites portions. 8) Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le corps rigide (13) est limité par un volume vide dans la direction axiale. 3063310 S61704 FR ici-P 8 9) Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le corps amortisseur (14) est précontraint dans la direction radiale entre les faces d'appui (17, 18). 10) Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé 5 en ce que le découpleur mécanique comprend encore des flasques latéraux (16) s'étendant entre le second arbre (8) et le palier (11), le corps rigide et le corps amortisseur étant placés entre les flasques. 11) Moteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que les flasques (16a, 16b) sont souples. 10 12) Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend un état où des portions respectives (27, 28) du palier (11) sont respectivement solidaires des arbres et un état où une desdites portions (27) est mobile dans la direction radiale par rapport à l'arbre dont elle était solidaire et amortie par rapport audit arbre (8).