Brevet FR3085408A1 — publié le 20200306

PERFECTIONNEMENTS AUX TURBOMACHINES DOMAINE TECHNIQUE GÉNÉRAL La présente invention est relative aux turbomachines. Elle concerne plus particulièrement l'application d'effort sur les rotors de turbomachines. ART ANTÉRIEUR Par rotor, on entend ici et dans tout le présent texte tout sous-ensemble d'éléments solidaires en rotation. Typiquement, un rotor comporte par conséquent un arbre et tous les éléments qui lui sont liés : disque, aube, tourillon, bague de palier, le cas échéant roue d'engrenage, etc... Les turbomachines sont habituellement conçues pour que la force axiale s'exerçant sur le rotor s'exerce dans un sens préféré pendant la majorité des phases de fonctionnement. Mais sur certaines phases de fonctionnement (par exemple ralenti vol, phase transitoire, arrêt/démarrage du moteur, autorotation de la soufflante), cette force axiale peut être faible ou s'exercer en sens inverse. Ce phénomène se traduit par plusieurs effets délétères pour la zo turbomachine, ce qui nécessite de surdimensionner les paliers et/ou de réduire leurs durées de vie. Notamment, lorsque la force axiale passe par des points où elle est nulle, son absence implique un flottement axial du roulement à billes du palier. Ce flottement axial s'opère sur l'amplitude totale du jeu radial de 25 montage. Par ailleurs, la variation de jeu axial de l'arbre BP (ou HP) par rapport au stator présente une discontinuité importante au moment de l'inversion de force axiale, puisque le roulement passe d'un état axial en butée avant à un état axial en butée arrière. 30 Cette alternance d'efforts sur le roulement et les vibrations qui en résultent sont fortement pénalisantes (chocs sur le palier notamment). 2 Pour maintenir la force axiale s'exerçant sur le rotor toujours dans le même sens (sens préféré) quelles que soient les phases de vol, il est connu d'appliquer une pression d'air sur des surfaces radiales du rotor notamment pendant les phases (ralenti vol, phase transitoire, arrêt/démarrage du 5 moteur, autorotation de la soufflante, ...) où il y aurait un risque que la force axiale s'inverse. Une telle solution est particulièrement complexe. Elle est en outre fortement consommatrice d'air, ce qui peut s'avérer particulièrement néfaste puisque l'air utilisé à cet effet ne participe plus à 10 la combustion. Également, sur certains cas très défavorables, la poussée d'air ainsi réalisée peut ne pas être suffisante. Il existe donc un besoin pour une solution simple et fiable permettant d'éviter que la force axiale sur le rotor soit très faible ou ne s'inverse par 15 rapport au sens préféré. PRÉSENTATION GÉNÉRALE DE L'INVENTION Un but général de l'invention est de pallier ces inconvénients. Notamment, un but est de proposer une solution permettant 20 d'augmenter la force axiale aval du rotor BP (ou HP) sur les régimes ou elle est faible ou inversée afin de maintenir une résultante axiale orientée dans le même sens sur toute la gamme de fonctionnement moteur. Un autre but encore de l'invention est de proposer une solution en ce sens qui permet d'éviter une modification significative de la ventilation 25 d'ensemble de la turbomachine. Ainsi, selon un aspect, l'invention propose une turbomachine comportant un stator et un rotor monté sur un arbre, le rotor comportant des aubages dans une veine, la rotation de l'arbre et du rotor par rapport au stator étant assurée par au moins un palier du type à roulement à billes 30 dont une bague interne est solidaire dudit arbre et dont une bague externe est fixée à un support de palier solidaire du stator, ledit palier formant une 3 butée axiale liée au stator sur laquelle ledit arbre exerce, sous l'effet de la rotation des aubages, un effort dans un sens donné lors des principales phases de fonctionnement de la turbomachine. La turbomachine comporte un dispositif d'application d'effort monté 5 entre au moins un élément du rotor et une zone liée au support de palier, ledit dispositif d'application d'effort étant adapté pour exercer sur l'élément de rotor, par rapport à ladite zone, un effort axial dans le sens donné lors d'autres phases de fonctionnement de la turbomachine, l'élément de rotor et ladite zone étant sensiblement axialement en vis-à-vis lorsque le palier 10 est sous contrainte du fait de l'effort axial ainsi exercé par ce dispositif d'application d'effort ou sous l'effet de la rotation des aubages. De cette façon, l'arbre de rotor est en permanence maintenu en butée sur le palier. On évite ainsi les différents effets pénalisants mentionnés ci-dessus, 15 et en particulier ceux liés au jeu qui peut exister entre les bagues et les billes du palier. Notamment, le dispositif est adapté pour exercer sur au moins un élément de rotor une force axiale dans le même sens que celui de la force axiale qui s'applique sur l'ensemble rotor lors des phases de vol principales, ledit dispositif appliquant ladite force lorsque la force axiale s'appliquant à l'ensemble rotor est faible ou inversée. Un tel dispositif est avantageusement complété par les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison : - le dispositif comporte un ressort tendant à repousser ou attirer l'élément du rotor et ladite zone ; - le ressort est monté entre une bride du support de palier et une attache sur l'arbre ; - le dispositif d'application d'effort comporte une pièce d'attache apte à coulisser sur l'arbre, l'arbre comportant par ailleurs une butée limitant la course de ladite pièce d'attache ; 4 - la pièce d'attache est montée sur l'arbre au voisinage d'un palier à billes ou à aiguilles ; - la turbomachine comporte au niveau de la pièce d'attache un système à coussinet autolubrifiant : 5 - le ressort présente une raideur de l'ordre de 10 N/m ; - le dispositif d'application d'effort comporte un système à aimants permanents ; - le dispositif d'application d'effort comporte un système à électroaimant ; 10 - le dispositif d'application d'effort comporte un ou plusieurs vérins. PRÉSENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles : 15 - la Figure 1 est une représentation schématique d'un assemblage de sous-ensemble rotor basse pression de turbomachine conforme à un mode de réalisation possible de l'invention, - la Figure 2 est un graphe sur lequel on a porté l'évolution des efforts axiaux du rotor basse pression, ainsi que le déplacement axial d'un zo ensemble de rotor basse pression, pour différentes phases de fonctionnement ; - la Figure 3 illustre schématiquement une variante de réalisation d'un dispositif destiné à exercer un effort ; - la Figure 4 illustre schématiquement un autre exemple 25 d'application possible de l'invention. 5 DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE MISE EN OEUVRE ET DE REALISATION L'exemple qui suit est donné dans le cas d'un rotor de compresseur basse-pression. 5 L'invention est toutefois d'application plus générale et propose une solution pour l'application d'un effort sur tout « rotor » de turbomachine, c'est-à-dire à tout ensemble de turbomachine constitué d'éléments solidaires d'un même arbre. 10 Exemple dans le cas d'un rotor d'un compresseur BP On a représenté sur la figure 1 une partie stator 1, un ensemble rotor 2 et un arbre 3. L'arbre 3 porte la structure du rotor 2 et est monté rotatif par rapport au stator 1 grâce à un jeu de paliers qui comporte un palier amont 4 du 15 type à roulement à billes. Un deuxième palier en aval du palier amont 4 a été référencé par 5. Le rotor 2 est un rotor aubagé qui porte classiquement une pluralité d'aubes 6 situées en regard d'aubes 7 de redresseur fixes par rapport à la partie stator 1. 20 La bague externe 4a de ce roulement à billes 4 est elle-même fixée à la partie stator 1 par un support de palier 8 qui s'étend avec une forme générale en tronc de cône s'évasant de ladite bague externe 4a jusqu'à une bride 9 fixe par rapport à un carter d'entrée de la partie stator 1. La bague interne 4b du roulement à billes 4 est solidaire de l'arbre 3. 25 Une pièce 11 à évidements (pièce en cage d'écureuil) relie par ailleurs ladite bague externe 4a à une bride annulaire 10 qui s'étend en saillie intérieure à partir du support de palier 8. Le palier 4 constitue ainsi une butée axiale liée au stator sur laquelle ledit arbre 3 exerce, sous l'effet de la rotation des aubages, un effort dans 30 un sens donné lors des principales phases de fonctionnement de la turbomachine. 6 Application d'un effort sur l'arbre Un dispositif d'application d'effort 12, ici un ressort 12, sert à appliquer un effort entre une zone fixe par rapport au support de palier 8 d'une part, et l'arbre 3 d'autre part. En l'occurrence, cet effort tend à 5 repousser ledit arbre 3 vers l'aval. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, ladite pièce 12 formant ressort s'étend entre l'extrémité de la pièce 11 et une pièce annulaire d'attache 13 montée en vis-à-vis de l'arbre BP 3. Le ressort 12 constitue ainsi un dispositif d'application d'effort monté entre au moins un élément 10 du rotor 2 et une zone liée au stator 1 et notamment au support de palier 8. Dans la phase de fonctionnement principale représentée en figure 1, l'arbre 3 exerce un effort axial positif vers l'aval sur le palier 4. Le palier 4 représenté en figure 1 est soumis à un effort axial suffisant et ne subit pas de flottement axial, ce qui est visible par l'espace entre la partie stator et is l'arbre. La taille dudit espace est accentuée sur la figure 1 par rapport à la taille des pièces : en réalité l'espace entre la partie stator et l'arbre est beaucoup plus petit, par exemple un ajustement ou contact glissant de l'ordre de 0,05 millimètres à 0,2 millimètres. L'extrémité de la pièce 11 et la pièce 13 d'appui constituent un zo élément de stator 1 entre lesquelles le ressort 12 s'étend. Dans leurs positions respectives lorsque le palier 4 est sous contrainte (du fait de l'effort axial ainsi exercé par ce dispositif d'application d'effort ou sous l'effet de la rotation des aubages), elles sont sensiblement axialement en vis-à-vis. 25 De cette façon, lors des phases où la résultante rotor est faible ou inversée (phases de ralenti vol, phases transitoires, autorotations, etc.), l'arbre 3 et le rotor sont plaqués vers l'aval par l'action du ressort 12 ; le flottement axial au niveau du palier 4 - et les autres effets indésirables liés au déplacement de l'arbre BP vers l'amont - sont évités. On entend par 30 « flottement axial » une perte d'appui des billes du palier 4 sur les bagues externe 4a et interne 4b ou un mouvement d'oscillation des billes du palier 4 par rapport aux bagues externe 4a et interne 4b, ce mouvement ayant une composante parallèle à l'axe de la turbomachine. Les chocs répétés 7 entre les billes et les bagues externe 4a et interne 4b peuvent accélérer l'usure du palier, notamment dans le cas d'une alternance répétée du sens dans lequel s'exerce la force axiale sur le palier 4. Le dispositif d'application d'effort 12 exerce notamment un effort 5 axial sur l'arbre 3 pendant des phases transitoires de fonctionnement de la turbomachine, par exemple des phases de « ralenti vol » ou d'approche. En l'absence de dispositif d'application d'effort 12, les efforts axiaux transmis au palier 4 peuvent s'exercer vers l'amont ou vers l'aval et alterner régulièrement de sens, ce qui peut créer des chocs au niveau du palier ainsi io qu'un flottement axial. Les différentes phases de fonctionnement de la turbomachine peuvent notamment être repérées par rapport à une vitesse de rotation seuil prédéterminée. Au-delà dudit seuil, on considère que la turbomachine est en phase de décollage ou de croisière. En-dessous dudit seuil, on considère que la turbomachine est dans une phase de ralenti vol, 15 ou dans une phase d'approche. D'autres solutions qu'une pièce comprimée jouant le rôle d'un ressort sont bien entendu possibles pour le dispositif d'application d'effort 12 : dispositif à vérins ou plus généralement toute solution permettant d'exercer et de transmettre un effort entre d'une part une zone liée au carter et 20 d'autre part une butée liée à l'arbre 3. La pièce d'attache 13 est par exemple montée coulissante sur l'arbre 3 et fixe par rapport au ressort 12. Une collerette 14 formant butée est à cet effet prévue sur l'arbre BP 3, en aval de l'arbre 3. Cette collerette 14 est d'une pièce avec l'arbre 3. 25 Elle reçoit l'effort de poussée exercé par le ressort 12 sur la pièce d'attache 13, laquelle - en l'absence de force entraînant l'ensemble du rotor 2 vers l'aval - vient se bloquer sur ladite collerette 14 pour plaquer l'arbre 3 vers l'aval. En dehors des phases où la résultante rotor est faible ou inversée, le 30 rotor 2 et l'arbre BP 3 sont repoussés vers l'aval indépendamment de la collerette 14. La structure formant ressort est dimensionnée pour débrayer la pièce d'attache 13 de ladite collerette 14 lors des phases de vol où la résultante rotor vers l'aval est établie (et où le besoin en application d'effort 8 aval est non existant). La figure 1 représente le système rotor basse pression dans ce dernier état où la résultante rotor est dirigée vers l'aval. On notera que ce déplacement vers l'aval de l'ensemble du rotor 2 peut être permis grâce à la souplesse que présente la pièce 11 en cage 5 d'écureuil. Ainsi, le ressort 12 pousse le rotor 2 lorsque ce dernier n'est pas contraint. Puis, et à mesure que le rotor 2 se déplace vers l'aval, la force exercée par le système ressort diminue jusqu'à éventuellement s'annuler et laisser le jeu de contact s'ouvrir. 10 Ainsi on dispose d'un système permettant d'appliquer un effort sur le rotor - en l'occurrence vers l'aval - aux bas régimes, et dont l'effort appliqué diminue de façon inversement proportionnelle à la résultante rotor pour s'annuler à partir d'un certain régime par déplacement aval du rotor 2 par rapport au carter. 15 Comme l'illustre la figure 2, le déplacement axial de l'arbre 3 peut être de l'ordre du mm, tandis que l'effort axial sur le rotor peut aller jusqu'à un ordre de grandeur de 10.000 daN. Si l'on souhaite par exemple que l'effort aval sur la collerette 14 formant butée soit nul à partir d'un déplacement autour de 0,1 mm zo (correspondant à un effort du ressort entre 250 et 500 daN), le ressort pourra être choisi avec une raideur de l'ordre de 107 daN. Par ailleurs, afin de transmettre l'effort axial du ressort au rotor, il est souhaitable d'adopter un dispositif limitant les pertes par frottement lorsque la pièce 13 est en appui sur la collerette 14. 25 On interpose à cet effet, entre la pièce d'attache 13 et la collerette 14, un système permettant un glissement relatif des pièces 13 et 14 en minimisant le frottement entre celles-ci. En variante, au vu de la relativement faible valeur de l'effort, il est également possible de prévoir un coussinet autolubrifiant (coussinet fritté 30 métallique par ex.), ce d'autant que la pièce d'attache 13 et la collerette 14 se trouvent déjà dans un brouillard d'huile lubrifiant (ici l'enceinte avant du compresseur BP). Cette dernière solution est en outre parfaitement adaptée à un désaccouplement dans les phases de décollage et de croisière, où la 9 performance est un critère primordial. Dans ces phases de vol, les aubages maintiennent l'arbre en butée dans le sens préférentiel. La puissance dissipée par le frottement est limitée : de l'ordre de 500 à 1000W au ralenti ce qui à titre comparatif est du même ordre de grandeur, 5 voire inférieur, à la puissance dissipée au ralenti dans le palier haute pression. Une solution de type palier à billes ou à aiguilles permet de diminuer le frottement et donc la puissance dissipée. 10 Autres modes de réalisation Dans un autre mode de réalisation, l'effort entre le carter et le rotor est réalisé par des aimants permanents. Ceux-ci présentent l'avantage d'appliquer un effort répulsif (ou attracteur au besoin) avec une perte par frottement nulle lors du glissement relatif. 15 En variante encore, l'effort peut être réalisé grâce à des aimants non permanents. Comme l'illustre la figure 3 sur laquelle on a représenté un bobinage dans un boîtier B et un noyau N mobile par rapport au bobinage, une alimentation électrique A associée à une unité de contrôle C permet de zo réguler l'effort appliqué dans le sens répulsif vers l'aval et dans le sens attracteur vers l'amont afin d'influencer le déplacement d'ensemble du rotor dans toutes les phases de fonctionnement. Le noyau N et le boîtier B sont à cet effet reliés l'un au carter, l'autre à un élément de rotor. L'unité de contrôle reçoit par exemple en entrée différentes 25 informations (mesures d'accéléromètres, paramètres de vol (vitesse, etc...), commande du moteur, etc...) De cette façon, il est alors possible d'asservir le guidage axial du rotor et le cas échéant de bloquer le rotor si nécessaire lorsque la turbomachine n'est pas en fonctionnement. 30 Autres exemples d'application Dans la description qui précède, on a essentiellement envisagé le cas d'un rotor comprenant au moins un compresseur et une turbine. La turbine 10 est alors soumise à un flux plus important vers l'aval que celui du compresseur (qui exerce un effort vers l'amont) dans les phases normales de fonctionnement. Sur certaines phases transitoires, la pression sur les aubages de turbine peut devenir moins forte que celle s'exerçant à l'aval 5 des aubages du compresseur et donc la résultante s'inverse. L'effort que doit exercer le dispositif proposé sur le rotor et l'arbre est alors un effort tendant à les déplacer vers l'aval par rapport au stator. Pour les rotors comprenant uniquement une soufflante (ou un compresseur), le dispositif proposé exerce un effort sur le rotor et l'arbre 10 vers l'amont, le moteur exerçant en phase de vol un effort vers l'amont. Egalement, dans le cas d'un moteur à réducteur (figure 4), la pression en amont de la soufflante devient, lors des phases transitoires, plus importante que la pression en aval de la turbomachine. La soufflante participe alors au ralentissement de l'avion. Le dispositif proposé exerce 15 alors sur les éléments du rotor, par rapport au stator, un effort vers l'aval. On a illustré sur la figure 4 un turboréacteur 21 à réducteur. Ce turboréacteur 21 comprend, de manière conventionnelle, une soufflante 22 et un corps primaire. Le corps primaire comprend, dans le sens d'écoulement des gaz, un compresseur basse pression 23a, un zo compresseur haute pression 23b, une chambre de combustion 24, une turbine haute pression 25a, une turbine basse pression 25b, et une tuyère d'échappement des gaz. La soufflante 22 comprend un disque de soufflante pourvu d'aubes 215 de soufflante à sa périphérie qui, lorsqu'elles sont mises en rotation, 25 entraînent le flux d'air dans les espaces d'écoulement primaire et secondaire du turboréacteur 21. Le disque de soufflante est entrai né en rotation par un arbre basse pression 26 de la turbine basse pression 25b. La soufflante 22 est alors entraînée par l'arbre basse pression 26 par l'intermédiaire du mécanisme de réduction 210 et d'un arbre de soufflante 30 27, qui est fixé entre le mécanisme de réduction 210 et le disque de la soufflante 22. 11 Le turboréacteur 21 de la figure 4 comprend différents dispositifs d'effort 30, 31, 32 interposés entre des éléments du rotor et différentes parties stator. Le dispositif 30 est un ressort monté entre une collerette 33 montée 5 solidaire de l'arbre 27 de la soufflante 22 (au voisinage du palier amont S#1 dudit arbre de soufflante 27) et une pièce 42 solidaire de la bague de stator du palier aval S#2 dudit arbre de soufflante 27. En complément du dispositif d'effort 30 prenant la forme d'un ressort, un effort axial complémentaire est en outre exercé sur l'arbre 27 par un 10 dispositif à aimants permanents du type de celui représenté en figure 3, comprenant un bobinage dans un boîtier B, et un noyau N mobile par rapport au boîtier B. Sur la figure 4, dans la zone entre les paliers S#1 et S#2, on a représenté en partie haute ledit dispositif à aimants permanents comprenant les éléments B et N, et en partie basse le dispositif d'effort 30 15 à ressort. Le dispositif 31 est également un ressort. Il est monté entre la partie stator du compresseur 23a et une collerette 34 qui est montée sur l'arbre 26 en étant reliée à celui-ci. Cette pièce est en l'occurrence située au voisinage immédiat du premier palier basse pression (palier BP#1). 20 Le dispositif 32 - également du type ressort - est quant à lui monté entre le redresseur du compresseur haute pression 23b, qui est relié au carter, et une collerette 35 qui est montée au voisinage du palier avant de l'arbre haute pression H (palier HP#1 sur la figure) et solidaire de l'arbre 26. 25 Ces différents dispositifs 30 à 32 illustrent différentes configurations possibles (qui peuvent, le cas échéant, être utilisées ensemble) pour exercer un effort de rappel tendant à déplacer les éléments du rotor par rapport au stator, en l'occurrence vers l'aval. D'autres configurations permettant d'éviter le flottement axial d'un REVENDICATIONS1. Turbomachine comportant un stator (1) et un rotor (2) monté sur un arbre (3), le rotor comportant des aubages dans une veine, la rotation de l'arbre (3) et du rotor (2) par rapport au stator (1) étant assurée par au 5 moins un palier (4) du type à roulement à billes dont une bague interne (4b) est solidaire dudit arbre et dont une bague externe (4a) est fixée à un support de palier (8) solidaire du stator (1), ledit palier formant une butée axiale liée au stator sur laquelle ledit arbre (3) exerce, sous l'effet de la rotation des aubages, un effort dans un sens donné lors des principales 10 phases de fonctionnement de la turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif d'application d'effort (12) monté entre au moins un élément du rotor (2) et une zone (10) solidaire du support de palier (8), ledit dispositif d'application d'effort étant adapté pour exercer sur l'élément du rotor (2), par rapport à ladite zone, 15 un effort axial dans le sens donné lors d'autres phases de fonctionnement de la turbomachine, l'élément du rotor (2) et ladite zone étant sensiblement axialement en vis-à-vis lorsque le palier est sous contrainte du fait de l'effort axial ainsi exercé par ce dispositif d'application d'effort ou sous l'effet de la rotation des aubages. 20 2. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif d'application d'effort comporte un ressort tendant à repousser ou attirer l'élément du rotor (2) et ladite zone. 25 3. Turbomachine selon la revendication 2, caractérisée en ce que le ressort est monté entre une bride (10) du support de palier (8) et une attache sur l'arbre (3). 4. Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en 30 ce que le dispositif d'application d'effort comporte une pièce d'attache (13) apte à coulisser sur l'arbre (3), l'arbre (3) comportant par ailleurs une butée (14) limitant la course de ladite pièce d'attache (13). 13 5. Turbomachine selon la revendication 4, caractérisée en ce que la pièce d'attache (13) est montée sur l'arbre (3) au voisinage d'un palier à billes ou à aiguilles. 6. Turbomachine selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comporte au niveau de la pièce d'attache un système à coussinet autolubrifiant. 7. Turbomachine selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que le ressort (12) présente une raideur de l'ordre de 107 N/m. 8. Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le dispositif d'application d'effort comporte un système à aimants 15 permanents. 9. Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le dispositif d'application d'effort comporte un système à électroaimant. 20 10. Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le dispositif d'application d'effort comporte un ou plusieurs vérins.