Brevet FR3071007A1 — publié le 20190315

Corps intermédiaire pour interface entre deux corps tournants DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne la gestion des espaces entre deux éléments en rotation relatives dans une turbomachine, telle qu'un arbre basse-pression ou haute-pression, une turbine basse-pression ou haute-pression, un compresseur basse-pression ou haute-pression, ou un carter faisant office de stator. L'invention trouve particulièrement application dans la gestion des entrefers pour télémesures lors de rotations relatives entre les deux éléments. L'invention trouve une autre application dans la gestion du jeu d'étanchéité entre les deux éléments en rotation relatives. ETAT DE L'ART L'état de l'art sera donné dans le cadre d'un entrefer pour télémesure, avec une pièce mobile en rotation, appelé rotor A10, et une pièce fixe en rotation, appelée stator A20, illustrés en figure 1. Des paliers A30 permettent la rotation relative entre la pièce fixe et la pièce mobile. Dans les turbomachines, il est souvent nécessaire, soit en cours de développement, soit en cours d'utilisation, d'avoir des mesures sur le rotor. Pour extraire ces mesures, une technique consiste à implanter une télémesure embarquée dans sur le rotor A10. La télémesure a pour rôle de récupérer les mesures tournantes et de les traiter électroniquement en signal radio pour les transmettre ensuite. Pour réaliser le traitement et la transmission, la télémesure doit être alimentée électriquement via un système de bobinage rotor/stator et 2 être équipée d'antennes de transmission. On définit une antenne rotor Al2 et une antenne stator A22, qui sont en regard l'une de l'autre et qui fonctionnent en couple. 5 Un entrefer e se trouve entre l'antenne rotor Al2 et l'antenne stator A22. Cet entrefer e correspond à la distance entre les bobinages/aimants nécessaires au fonctionnement du système. Il peut être axial (comme illustré sur la figure 1), c'est-à-dire qu'il s'étend selon une direction longitudinale X de la turbomachine, ou radial, c'est- 10 à-dire selon une direction orthogonale à la direction longitudinale X. Le choix du type d'entrefer dépend généralement des spécificités d'intégration. Dans le cas des entrefers axiaux (mais généralisables aux entrefer 15 radiaux), les dispersions axiales du rotor peuvent être importantes, ce qui change ainsi l'entrefer e. Par exemple, le stator A20 peut être formé d'une ligne de carters A24 (carter intermédiaire), A25 (carters compresseur-chambre-turbine), A28 carter d'échappement. Chaque carter A24, A25, A28, et l'antenne stator A22 possède des imprécisions 20 de fabrication et d'assemblage, qui s'additionnent. De la même façon, le rotor A10 peut être formé d'une ligne d'arbres A26, qui possède chacun des imprécisions de fabrication et d'assemblage, qui s'additionnent. Pour compenser ces imprécisions, il a été prévu une cale de réglage 25 A40, qui, après montage, permet d'ajuster l'antenne stator A22 pour fixer la dimension de l'entrefer e et ainsi de compenser toutes les imprécisions longitudinales de cotes du stator A20 et du rotor A10. Cette solution en revanche n'est pas très fonctionnelle à l'encontre des 30 déplacements à chaud du rotor A10 ou du stator A20. Ces derniers dépassent parfois les 2mm, ce qui peut rendre impossible de mettre le système de télémesure en place. 3 Il existe donc un besoin pour un système plus adapté. PRESENTATION DE L'INVENTION 5 Pour cela, l'invention propose une turbomachine s'étendant selon une direction longitudinale comprenant un premier corps et un deuxième corps, en rotation l'un relativement par rapport à l'autre selon la direction longitudinale, à l'aide d'au moins un palier intercalé entre ceux-ci, la turbomachine comprenant un corps intermédiaire, qui est : 10 monté solidaire en translation longitudinale par rapport au premier corps, et monté mobile en rotation autour de la direction longitudinale par rapport au premier corps, monté mobile en translation longitudinale par rapport au 15 deuxième corps, et monté solidaire en rotation autour de la direction longitudinale par rapport au deuxième corps, dans lequel une portion d'intérêt du corps intermédiaire est en regard d'une portion d'intérêt du premier corps, en étant espacées d'une 20 distance. La distance est préférablement un entrefer, ou un espace pour mettre un joint. Grâce à l'agencement particulier du corps intermédiaire, on peut 25 garantir une distance axiale constante ou un alignement axial constant quels que soient les déplacements des corps. Il n'y a donc plus besoin d'attendre les résultats aérothermiques dans l'avancement des études de conception. On peut aussi s'affranchir des phases de calcul de chaînes de cotes au 30 montage et d'usinage des cales de réglage surtout dans le cas de montages répétés avec des pièces différentes, ou le cas des moteurs en développement (gain de temps au montage), qui nécessitent à chaque fois une cale adaptée. 4 On peut implanter des télémesures ou des capteurs dans des endroits ou sur des machines pour lesquels ce n'était auparavant pas possible, du fait de l'incompatibilité des conditions thermiques avec une valeur d'entrefer souhaitée. 5 L'invention peut comprendre les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : - la turbomachine comprend en outre des paliers positionnés entre le premier corps et le corps intermédiaire, pour autoriser la rotation, 10 - la turbomachine comprend en outre une butée axiale entre le premier corps et le corps intermédiaire, pour solidariser la translation, - les paliers font office de butée axiale, - le deuxième corps et le corps intermédiaire sont reliés entre eux par une liaison glissière, 15 - la distance est un entrefer et la portion d'intérêt du premier corps comprend une antenne et la portion d'intérêt du corps intermédiaire comprend aussi une antenne, configurées pour transmettre de la puissance entre les deux corps, ou la portion d'intérêt du premier corps comprend une sonde active 20 et portion d'intérêt du corps intermédiaire comprend un récepteur, ou inversement, pour former un capteur configuré pour obtenir des données relatives à la rotation des corps, - la turbomachine comprend un joint à l'interface entre la portion d'intérêt du premier corps et la portion d'intérêt du corps intermédiaire, 25 de façon à étanchéifier l'interface. - le premier corps est un arbre et le deuxième corps est un carter fixe, ou inversement. - le premier corps et le deuxième corps sont deux arbres contra-rotatifs ou co-rotatifs, de type haute-pression et basse-pression, reliant une 30 turbine haute-pression à un compresseur haute-pression et une turbine basse-pression à un compresseur basse-pression. 5 L'invention concerne en outre un banc d'essai comprenant une turbomachine telle que définie précédemment. PRESENTATION DES FIGURES 5 D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels : - La figure 1 illustre un entrefer sur un système rotor/stator d'une 10 turbomachine, conformément à l'art antérieur, - Les figures 2 et 3 illustrent un entrefer selon un mode de réalisation de l'invention, - La figure 4 illustre un mode de réalisation de l'invention, avec différents types de paliers, 15 - La figure 5 illustre un mode de réalisation de l'invention, avec un entrefer radial, - La figure 6 illustre un mode de réalisation de l'invention, avec un capteur, - La figure 7 illustre une double implémentation de l'invention dans 20 une turbomachine double corps, corotatifs ou contrarotatifs, - La figure 8 illustre un autre mode de réalisation de l'invention, avec un joint. DESCRIPTION DETAILLEE 25 En référence aux figures 2 à 8, plusieurs modes de réalisation d'une turbomachine vont être présentés. Comme expliqué en introduction, une turbomachine 1 comprend 30 plusieurs corps rotatifs. On peut citer par exemple, pour les turbomachines simple, double, ou triple corps : 6 - Un arbre basse pression, un arbre moyenne pression (pour les triples corps) et un arbre haute pression, soit contrarotatifs, soit co-rotatifs, - Un arbre basse pression par rapport à un carter fixe, 5 - Un arbre moyenne pression par rapport à un carter fixe, - Un arbre haute pression par rapport à un carter fixe. Un premier corps peut comprendre un arbre basse pression qui relie une turbine basse pression avec un compresseur basse-pression (ou 10 booster), et qui peut entrainer une soufflante (par exemple via un réducteur); un deuxième corps peut comprendre un arbre haute-pression qui relie une turbine haute pression avec un compresseur haute-pression. Un troisième corps peut comprendre un arbre intermédiaire qui relie une 15 turbine basse pression avec un compresseur basse pression (dans le cas des turbomachines triple corps). L'invention trouve application dans tout couple de corps tournants entre eux dans une turbomachine. 20 Par ailleurs, la turbomachine peut être sur banc d'essai, sans qu'il soit nécessaire qu'elle forme une turbomachine complète. Par exemple, une turbomachine double-flux montée sur un banc d'essai peut comprendre une veine primaire mais pas de soufflante ou de veine secondaire. 25 En particulier, un mode de réalisation de l'invention a trait à la gestion de la transmission de puissance ou d'information entre un couple de corps rotatifs, et un autre mode de réalisation a trait à la gestion de l'étanchéité entre un couple de corps rotatifs. Dans les deux cas, une 30 contrainte est celle de l'absence de contact, et de la présence d'un écartement e entre les deux corps, au niveau de deux portions d'intérêts des corps. 7 On définit une direction longitudinale X, qui correspond à l'axe principal de la turbomachine. On comprend, sur la base des exemples illustratifs précédents, que la rotation des corps se fait autour de la direction longitudinale X. 5 Ainsi, la turbomachine 1 comprend un premier corps 10 et un deuxième corps 20. Ces corps sont en rotation l'un relativement par rapport à l'autre. Cela signifie que l'un des deux corps peut être fixe (couple rotor/stator), ou 10 bien que les deux corps tournent à des vitesses différentes la plupart du temps (couple rotor/rotor). La rotation se fait autour de l'axe longitudinal X. Les corps 10, 20 en rotation ont généralement une forme symétrique de révolution. 15 Les corps 10, 20 peuvent être faits d'une cascade de pièces distinctes assemblées entre elles. Les positionnements longitudinaux ou radiaux de certaines parties de ces pièces dépendent ainsi de la cascade de pièces distinctes assemblées. Il existe en outre des phénomènes de 20 dilatation ou de variation en utilisation qui déplacent longitudinalement les parties des pièces (parfois jusqu'à plusieurs millimètres). Sur la figure 2, si on se place dans le cadre d'un deuxième corps 20 qui est un stator et un premier corps 10 qui est un arbre haute pression, on peut remarquer un carter intermédiaire 24, des carters compresseurs- 25 chambre-turbine 26, un carter d'échappement 28 (TRF pour turbine rear frame). Des paliers 30 sont disposés entre le premier corps 10 et le deuxième corps 20 (à billes ou à rouleaux). Ils permettent la rotation entre les 30 deux corps 10, 20. Des systèmes de lubrification sont classiquement prévus. 8 La partie de turbomachine 1 comprend en outre un corps intermédiaire 40, qui est en relation mécanique avec le premier corps 10 et le deuxième corps 20, c'est-à-dire qu'il est positionné, dans la chaine cinématique, entre les deux corps 10, 20. 5 La relation mécanique est définie par plusieurs relations. Le corps intermédiaire 40 est monté solidaire en translation longitudinale X par rapport au premier corps 10, et solidaire en rotation autour de la direction longitudinale X par rapport au deuxième corps 20. Le corps 10 intermédiaire 40 est aussi monté mobile en rotation autour de la direction longitudinale X par rapport au premier corps 10 et mobile en translation longitudinale X par rapport au deuxième corps 20. On appelle virole anti-rotation 22 la partie du deuxième corps 20 qui 15 reprend l'effort empêchant la rotation du corps intermédiaire 40. Elle s'étend généralement radialement pour se mettre au niveau du premier corps 10. Le corps intermédiaire 40 est préférablement positionné en extrémité du 20 premier corps 10, au bout de la cascade de pièces qui peuvent le former. Si premier corps 10 se déplace longitudinalement, le corps intermédiaire 40 se déplacement longitudinalement aussi de la même valeur, et si le 25 deuxième corps 20 se met en rotation, le corps intermédiaire 40 se met en rotation aussi. Comme indiqué précédemment, le corps intermédiaire 40 et le premier corps 10 comprennent chacun une portion d'intérêt respective 42, 12 30 qui sont en regard l'un de l'autre, à une distance e (voir figure 3). 9 Le corps intermédiaire 40 peut être formé d'une seule pièce ou formé de plusieurs pièces. En particulier, si besoin, il peut avoir la forme d'un fut de cylindre autour de la direction longitudinale X. 5 On distingue deux types d'assemblages différents. Dans une première variante de réalisation, illustrée en figures 2 à 4, la distance e s'étend selon la direction longitudinale X. Dans une seconde variante de réalisation, illustrée en figures 5 et 8, la distance e s'étend radialement, c'est-à-dire orthogonalement à la 10 direction longitudinale X. Dans cette variante, on définit alors une longueur L, qui correspond à l'extension longitudinale sur laquelle les portions d'intérêt 12, 42 sont en vis-à-vis. Ainsi, grâce au corps intermédiaire 40, la distance e dans le cas de la 15 première variante précitée ou la longueur L dans le cas de la deuxième variante précitée est maintenue constante lors de l'utilisation de la turbomachine et ne dépend que de peu de cotes, c'est-à-dire qu'elle ne dépend pas des imprécisions de fabrication et/ou d'assemblage des autres éléments de la turbomachine. En d'autres termes, la différence 20 de cote longitudinale entre les deux portions d'intérêt 12, 42 ne dépend plus des côtes des différentes pièces formant les corps mais uniquement de la précision de l'assemblage entre le premier corps 10 et le corps intermédiaire 40, et, en cas de dilatation du premier corps 10, cette différence reste sensiblement la même, puisque l'assemblage se fait en 25 bout de premier corps 10. Le corps intermédiaire 40 est ainsi une pièce intermédiaire qui a pour fonction de faciliter l'assemblage et de permettre la constance de la distance e ou de la longueur L, longueur qui joue un rôle important dans 30 le cas des machines tournantes dont la distance e s'étend radialement, comme cela sera décrit par la suite (entrefer ou volume à étanchéifier). 10 La turbomachine comprend en outre des paliers 50 positionnés entre le premier corps 10 et le corps intermédiaire 40, pour autoriser la rotation. Ces paliers 50 sont de préférence auto-lubrifiés, ce qui permet d'éviter d'implémenter une alimentation en huile. Les paliers 50 peuvent prendre 5 la forme de roulement à billes ou à rouleaux. Selon les besoins, plusieurs jeux de palier peuvent être prévus à différents emplacements longitudinaux. Sur les figures 2 à 8, on distingue deux jeux de palier 50. 10 La turbomachine comprend en outre une butée axiale 60 entre le premier corps 10 et le corps intermédiaire 40, pour solidariser la translation longitudinale. Sur les figures 2 à 8, cette butée axiale 60 est réalisée à l'aide de paliers 50 sous la forme de roulements à billes. En effet, à l'inverse d'un roulement à rouleaux, le roulement à billes 15 permet de reprendre des efforts dans la direction longitudinale X. Une combinaison de types de paliers 50 est aussi possible, comme un roulement à billes 50 formant butée axiale 60 et un roulement à rouleaux (voir figure 4). 20 Afin de satisfaire les contraintes entre le deuxième corps 20 et corps intermédiaire 40, ils sont avantageusement reliés par une liaison glissière selon la direction longitudinale. Pour cela, le corps intermédiaire 40 peut comprendre un pion 43, cylindrique mais non symétrique de 25 révolution (par exemple de section carrée), et le deuxième corps 20 comprend un orifice de forme complémentaire 23 apte à recevoir ledit pion 43. Le pion 43 peut être une pièce indépendante attachée à une partie du corps intermédiaire 40. L'orifice 23 est pratiqué dans le deuxième corps 20, par exemple dans une pièce indépendante 22 30 formant la virole anti-rotation, attachée à une partie du deuxième corps 20. La pièce indépendante 22 fait partie de la cascade de pièces qui peut former le deuxième corps 20. 11 Cette liaison glissière ne présente pas d'inconvénient pour le passage d'un câblage entre le corps intermédiaire 40 et le deuxième corps 20, puisque le déplacement longitudinal est de l'ordre de quelques millimètres maximum, ce qui est absorbé sans difficulté par la souplesse 5 d'un câblage. Grâce au corps intermédiaire 40 et à ses liaisons particulières avec les corps 10, 20, la valeur de l'entrefer e ne dépend plus de la cascade de cotes des pièces formant les corps 10, 20, ni de la dilatation des corps 10 10 et 20. On est ainsi assuré d'avoir une télémesure ou un joint fonctionnel et bien réglé. Premier mode de réalisation 15 Dans ce premier mode de réalisation, le corps intermédiaire 40 a pour fonction d'améliorer les performances de télémesure, c'est-à-dire l'acquisition et/ou la transmission de données relatives à un corps tournant vers d'autres pièces. 20 La distance e est ainsi un entrefer, au travers duquel un champ magnétique passe, pour générer ou transmettre de l'énergie afin d'alimenter des composants électroniques sur le premier corps 10 (par exemple pour la télétransmission), ou pour transmettre un signal (par exemple une fréquence). 25 Dans une variante, le premier corps 10 comprend une antenne 13 avec un bobinage ou un aimant 14 dans la portion d'intérêt 12. En regard, sur le corps intermédiaire 40, de l'autre côté de l'entrefer e, se trouve une autre antenne 44 avec un autre bobinage ou un aimant dans la portion 30 d'intérêt 42. La rotation relative des corps 10, 20 génère un champ magnétique variable qui génère à son tour une tension. 12 L'entrefer e peut être axial, comme représenté en figure 4, c'est-à-dire qu'il s'étend longitudinalement. Dans ce cas, le corps intermédiaire 40 permet de s'assurer que cet entrefer axial reste constant. L'entrefer peut être radial, comme représenté en figure 5, c'est-à-dire 5 qu'il s'étend radialement. La grandeur pertinente est la longueur L de recouvrement des bobinages/aimants. Dans ce cas, le corps intermédiaire 40 permet de s'assurer que le recouvrement au niveau de l'entrefer e radial reste constant. 10 Dans une autre variante illustrée en figure 6, un capteur 70 est positionné de part et d'autre de l'entrefer e, avec une sonde active 72 sur une portion d'intérêt 12, 42 du corps 10, 40 et un récepteur 74 (passif ou actif) sur l'autre portion d'intérêt 42, 12 de l'autre corps 40, 10. On peut citer des capteurs électromagnétiques, inductifs, phoniques, 15 lasers, optiques, comme des capteurs Pmh avec roue phonique, etc. Les considérations précédentes sur l'entrefer e, axial ou radial, s'appliquent d'une façon similaire. La figure 7 illustre une application particulière des corps intermédiaire 20 40 sur une turbomachine double corps. Sont représentés, autour de la direction longitudinale X, une turbine haute pression 2, avec son arbre haute pression (non illustré), configuré pour entrainer un compresseur haute pression (non illustré), une turbine basse pression 3, avec son arbre basse pression 4, configuré pour 25 entrainer un compresseur basse pression (non illustré), et un carter d'échappement 5, dit TRF (turbine rear frame), qui porte l'arbre basse pression 4. Les deux turbines 2, 3 sont en rotation, à des vitesses différentes, et le 30 carter 5 est fixe. Par conséquent, on peut retrouver un corps intermédiaire 40 entre la turbine haute pression 2 et la turbine basse pression 3, qui jouent respectivement le rôle du premier corps 10 et du deuxième corps 20 13 (architecture rotor/rotor). On retrouve aussi un corps intermédiaire 40 entre la turbine basse pression 3, ou l'arbre basse pression 4 et le carter arrière 5, qui jouent respectivement le rôle du premier corps 10 et du deuxième corps 20 (architecture rotor/stator). 5 Deuxième mode de réalisation Dans ce mode de réalisation illustré en figure 8, la distance e n'est pas un entrefer mais un jeu qui doit être étanchéifié. Pour cela, on se place 10 dans le cas d'une distance e radiale. Comme la longueur L est à présent plus facile à prévoir avant assemblage car elle ne dépend plus de la cascade de cote des pièces des corps 10, 20 et qu'elle reste sensiblement constante lors de l'utilisation 15 de la turbomachine 1, la mise en place d'un joint 80 qui est à l'interface de deux corps en rotation relative, et qui comprend une partie 32 sur un corps 10, 20 et une partie 84 sur l'autre corps 20, 10, est simplifiée. Un type de joint 80 utilisable dans cette application comprend un labyrinthe 32 et une surface abradable 84, qui assure l'étanchéité le 20 temps de la durée de vie des deux éléments qui le constituent. Il est essentiel que le labyrinthe 82 soit intégralement en regard de la surface abradable 84. Dans ce mode de réalisation, le corps intermédiaire 40 s'étend 25 circonférentiellement autour de la direction longitudinale X, car l'étanchéité doit généralement être faite sur toute la circonférence. Il peut alors prendre la forme d'un fût de cylindre, de longueur assez courte comparativement au premier corps 10 par exemple. 30 Grâce au corps intermédiaire 40 et à ses liaisons particulières avec les corps 10, 20, la valeur de la distance L ne dépend plus de la cascade de cotes des pièces formant les corps 10, 20, ni de la dilatation du corps 10. On est ainsi assuré d'avoir une étanchéité efficace. 14 Enfin, dans une variante non illustrée sur les figures, l'entrefer pour le joint peut aussi être axial. Comme la distance e est mieux contrôlée, le joint à une meilleure efficacité et une meilleure étanchéité. Cette architecture en tant que joint s'applique d'une REVENDICATIONS1. Turbomachine (1) s'étendant selon une direction longitudinale (X) comprenant un premier corps (10) et un deuxième corps (20), en rotation l'un relativement par rapport à l'autre selon la direction longitudinale (X), à l'aide d'au moins un palier (30) intercalé entre ceux-ci, caractérisé en ce que la turbomachine (1) comprend un corps intermédiaire (40), qui est : monté solidaire en translation longitudinale (X) par rapport au premier corps (10), et monté mobile en rotation autour de la direction longitudinale (X) par rapport au premier corps (10), monté mobile en translation longitudinale (X) par rapport au deuxième corps (20), et monté solidaire en rotation autour de la direction longitudinale (X) par rapport au deuxième corps (20), dans lequel une portion d'intérêt (42) du corps intermédiaire (40) est en regard d'une portion d'intérêt (12) du premier corps (10), en étant espacées d'une distance (e). 2. Turbomachine (1) selon la revendication 1 comprenant en outre des paliers (50) positionnés entre le premier corps (10) et le corps intermédiaire (40), pour autoriser la rotation. 3. Turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 2 comprenant en outre une butée axiale (60) entre le premier corps (10) et le corps intermédiaire (40), pour solidariser la translation. 4. Turbomachine (1) selon les revendications 2 et 3, dans laquelle les paliers (50) font office de butée axiale (60). 16 5. Turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le deuxième corps (20) et le corps intermédiaire (40) sont reliés entre eux par une liaison glissière. 5 6. Turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle la distance (e) est un entrefer et dans laquelle la portion d'intérêt (12) du premier corps (10) comprend une antenne et la portion d'intérêt (42) du corps intermédiaire (40) comprend aussi une antenne, configurées pour transmettre de la 10 puissance entre les deux corps (10, 20), ou la portion d'intérêt (42) du corps intermédiaire (40) comprend une sonde active (72) et la portion d'intérêt (12) du premier corps (10) comprend un récepteur (74), ou inversement, pour former un capteur (70) configuré pour obtenir des données relatives à la rotation des corps 15 (10, 20). 7. Turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant un joint (80) à l'interface entre la portion d'intérêt (12) du premier corps (10) et la portion d'intérêt (42) du corps intermédiaire 20 (40), de façon à étanchéifier l'interface. 8. Turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle le premier corps (10) est un arbre et le deuxième corps (20) est un carter fixe (TRF), ou inversement. 25 9. Turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle le premier corps (10) et le deuxième corps (20) sont deux arbres contra-rotatifs ou co-rotatifs, de type haute-pression et basse-pression, reliant une turbine haute-pression à un compresseur haute- 30 pression et une turbine basse-pression à un compresseur basse-pression. 17 10. Banc d'essai (1) comprenant une turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9. 5