Brevet FR3120899A1 — publié le 20220923

Dispositif de centrage et de guidage d’un arbre de turbomachine d’aéronef, ce dispositif comportant : - une bague externe (12) d’un palier à roulement (14), cette bague s’étendant autour d’un axe (X), - un support annulaire (16) de palier s’étendant autour de l’axe (X) et au moins en partie autour de la bague (12), - une série de colonnettes (40) de liaison de la bague au support, ces colonnettes étant réparties autour de l’axe (X) et s’étendant sensiblement parallèlement à cet axe, chacune de ces colonnettes comportant un corps (40c) de forme allongée et relié à une première extrémité longitudinale (40b) de fixation au support et à une seconde extrémité longitudinale (40a) de fixation à la bague, caractérisé en ce que le corps (40c) de chaque colonnette (40) a en section transversale une forme non axisymétrique. Figure pour l'abrégé : Figure 4 DISPOSITIF DE CENTRAGE ET DE GUIDAGE D’UN ARBRE DE TURBOMACHINE D’AERONEF Domaine technique de l'invention La présente invention concerne un dispositif de centrage et de guidage d’un arbre de turbomachine d’aéronef. Arrière-plan technique Une turbomachine d’aéronef comprend des arbres, tels qu’un arbre basse pression et un arbre haute pression, qui sont centrés et guidés en rotation par des paliers, en général à roulement et par exemple à rouleaux ou billes. Un palier à roulement comprend des bagues externe et interne entre lesquelles sont disposés les rouleaux ou les billes. La bague interne est solidaire de l’arbre à guider et la bague externe est fixée à un support de palier qui est une pièce rigide de stator de la turbomachine. Un arbre de turbomachine peut atteindre un régime très important, typiquement entre 2000 et 30 000 tours par minute. De tels régimes induisent des excitations des modes propres des arbres qui peuvent avoir des effets dramatiques sur le moteur si le mode répond fortement. Afin de contrôler la position du mode, les paliers sont en général associés à des cages souples qui permettent d’assouplir les conditions aux limites de l’arbre et qui abaissent la fréquence du mode propre. Cela peut permettre d’abaisser le mode en dessous de la plage de fonctionnement. Dans la présente demande, on entend par « cage souple », un organe ou un assemblage qui assure une liaison souple entre la bague externe d’un palier et son support. La souplesse de cette cage est en général assurée par une capacité de déformation élastique de cette cage, par exemple en torsion et/ou en flexion. Pour conférer cette capacité, la cage comprend au moins une série de colonnettes réparties autour de l’axe du palier et s’étendant sensiblement parallèlement à cet axe. Il existe à ce jour deux technologies de cage souple pour palier. La première technologie décrite dans les documents FR-A1-3 009 843 et FR-A1-3 078 370 est une cage souple monobloc. Une cage de ce type comprend en général une paroi cylindrique interne à laquelle la bague externe du palier est fixée ou intégrée, et une paroi cylindrique externe ou une bride de fixation au support de palier. Les parois sont reliées entre elles par une série de colonnettes ayant une forme générale en C ou deux séries de colonnettes s’étendant l’une autour de l’autre et reliées ensemble. Les colonnettes et les parois sont alors formées d’une seule pièce. Une seconde technologie décrite dans le document FR-A1-3 009 843 concerne une cage obtenue par assemblage de colonnettes indépendantes avec le support et la bague. Chaque colonnette comporte un corps de forme allongée et relié à une première extrémité longitudinale de fixation au support et à une seconde extrémité longitudinale de fixation à la bague. Dans la technique actuelle, le corps a en section transversale une forme circulaire c’est-à-dire une forme axisymétrique (la forme en section du corps de la colonnette présente une symétrie par rapport à l’axe longitudinal de ce corps). La cage souple équipée de ces colonnettes a également une forme axisymétrique et sa raideur est identique quelle que soit la direction transversale des efforts de sollicitation de la cage. L’invention propose un perfectionnement à cette seconde technologie, qui permet notamment d’adapter la raideur de la cage souple en fonction de la direction de sollicitation. L’invention propose un dispositif de centrage et de guidage d’un arbre de turbomachine d’aéronef, ce dispositif comportant : - une bague externe d’un palier à roulement, cette bague s’étendant autour d’un axe, - un support annulaire de palier s’étendant autour de l’axe et au moins en partie autour de la bague, - une série de colonnettes de liaison de la bague au support, ces colonnettes étant réparties autour de l’axe et s’étendant sensiblement parallèlement à cet axe, chacune de ces colonnettes comportant un corps de forme allongée et relié à une première extrémité longitudinale de fixation au support et à une seconde extrémité longitudinale de fixation à la bague, caractérisé en ce que le corps de chaque colonnette a en section transversale une forme non axisymétrique. Quelle que soit la position des colonnettes autour de leurs axes respectifs, un dispositif selon la technique antérieure équipée de colonnettes à corps axisymétriques, possède une même raideur dans toutes les directions transversales (perpendiculaires à l’axe). Cela signifie que la raideur du dispositif dans une première direction perpendiculaire à l’axe (par exemple dans un plan horizontal) est identique à la raideur du dispositif dans une seconde direction perpendiculaire à l’axe (par exemple dans un plan vertical). L’invention permet au contraire de conférer au dispositif des raideurs différentes selon les directions transversales de sollicitation. Avantageusement, le dispositif comprend deux raideurs différentes en directions transversales. Il est en effet particulièrement intéressant pour stabiliser un arbre de fournir des raideurs différentes dans deux directions transversales et perpendiculaires entre elles car cela permet de repousser la vitesse d’apparition d’instabilités de l’arbre guidé par le dispositif. Grâce à la formation de la cage souple par assemblage de colonnettes, l’invention est avantageuse car elle permet une multitude de configurations possibles en limitant le coût du dispositif. Dans le cadre d’une cage souple monobloc par exemple, un changement de caractéristique impliquerait la réalisation d’une nouvelle pièce. En phase de développement cela impliquerait des coûts et des délais supplémentaires, surtout en cas d’erreur de dimensionnement de la pièce prototype. Le délai de réalisation d’une nouvelle pièce serait incompressible. Le dispositif selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, prises isolément les unes avec les autres ou en combinaison les unes avec les autres : - le corps de chaque colonnette a en section transversale une forme rectangulaire ; en variante, d’autres formes sont envisageables ; - le corps de chaque colonnette a en section transversale une forme aplatie dans un plan P, les plans P des colonnettes étant parallèles entre eux et à l’axe ; -- le corps de chaque colonnette a une section transversale dont les moments quadratiques sont différents selon deux axes orthogonaux ; la raideur de la colonnette peut être assimilée à celle d’une poutre en flexion (dans un plan XZ) ; dans le cas particulier d’une poutre de section rectangulaire (dans le plan YZ), si cette poutre est plus épaisse dans une direction que dans l’autre elle se déformera moins dans l’une (la direction la plus épaisse ici Z) que dans l’autre, et ce pour un effort donné égal. La raideur étant le ratio d’un effort sur un déplacement, celle-ci sera plus importante dans la direction de l’épaisseur la plus importante ; -- le support et la bague définissent entre eux un amortisseur à film d’huile ; - la bague externe comprend une surface cylindrique externe définissant avec le support un espace annulaire de formation d’un film d’huile d’amortissement ; - la bague externe comporte une bride annulaire comportant des orifices traversés par les secondes extrémités des colonnettes, ces secondes extrémités étant filetées et recevant des écrous serrés contre cette bride ; en variante, les secondes extrémités des colonnettes sont soudées ou rivetées sur la bride ; - le support comprend une première paroi cylindrique comportant une surface cylindrique interne définissant avec la bague un espace annulaire de formation d’un film d’huile d’amortissement ; -- le support comprend une seconde paroi cylindrique s’étendant autour de la première paroi cylindrique, voire également autour de la bride de la bague ; - le support comprend des ouvertures traversées avec jeu par les corps des colonnettes ; -- les première et seconde parois cylindriques sont reliées entre elles par une paroi annulaire sensiblement radiale comportant lesdites ouvertures ; - les ouvertures ont en section transversale une forme générale circulaire ; - le support comprend une bride annulaire comportant des orifices traversées par les premières extrémités des colonnettes, ces premières extrémités étant filetées et recevant des écrous serrés contre cette bride ; - la bague comprend des premiers éléments configurés pour coopérer avec des seconds éléments complémentaires des colonnettes afin de les bloquer en rotation autour de leurs axes respectifs ; -- le dispositif a en outre une configuration non axisymétrique. L’invention concerne en outre une turbomachine d’aéronef, comportant au moins un dispositif tel que décrit ci-dessus. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : La est une vue schématique en coupe axiale et en perspective d’un dispositif de guidage et de centrage d’un palier de turbomachine d’aéronef, selon la technique antérieure ; La est une vue schématique en coupe axiale d’un autre dispositif de guidage et de centrage d’un palier de turbomachine d’aéronef, selon la technique antérieure ; La est une vue schématique partielle en perspective d’un dispositif de guidage et de centrage d’un palier de turbomachine d’aéronef, selon un mode de réalisation de l’invention ; La est une vue schématique en coupe axiale du dispositif de la ; La est une vue schématique en perspective d’une colonnette du dispositif de la ; La est une vue schématique partielle en perspective de la bague et d’une colonnette du dispositif de la ; La est une vue schématique partielle en perspective du support de palier et de colonnettes du dispositif de la ; et La est une vue très schématique d’un dispositif selon l’invention. Description détaillée de l'invention On se réfère d’abord à la qui représente une première technologie de cage souple monobloc 10 selon la technique antérieure. La cage souple 10 assure la liaison d’une bague externe 12 d’un palier à roulement 14 à un support annulaire 16 de ce palier 14. Le palier 14 comporte, en plus de la bague externe 12, une bague interne 18 qui est solidaire d’un arbre de la turbomachine qui n’est pas représenté. Les bagues 12, 18 définissent un chemin de roulement de rouleaux dans l’exemple représenté. La bague externe 12 est ici intégrée à une paroi cylindrique interne 10a de la cage 10 qui comprend une bride annulaire 10b radialement externe de fixation au support 16 par des moyens du type vis-écrou non représentés. La cage 10 comprend ici deux séries de colonnettes 20, 22, respectivement radialement interne et externe par rapport à l’axe X du palier 14 et de l’arbre qu’il guide. Les colonnettes 20, 22 sont réparties autour de l’axe X et s’étendent parallèlement à cet axe. Les colonnettes 20 s’étendent autour des colonnettes 22 et ont une première de leurs extrémités longitudinales qui est reliée à la bride 10b, et une seconde de leurs extrémités longitudinales qui est reliée aux autres colonnettes 22 par une portion annulaire 24 à section en C de la cage 10. Les colonnettes 22 s’étendent depuis la paroi 10a, dans le prolongement de celle-ci, jusqu’à cette portion 24. Le support 16 fait partie d’un stator de la turbomachine et a ici une forme générale sensiblement tronconique. A sa périphérie interne, il comprend une surface cylindrique interne 16a de frettage d’un anneau 26 qui s’étend autour de la paroi 10a de la cage et qui définit avec celle-ci un espace annulaire 28 alimenté en huile afin de former un film d’huile d’amortissement des vibrations transmises par le palier 14 en fonctionnement. La représente une seconde technologie de cage souple 30 à colonnettes 32 indépendantes, selon la technique antérieure. La cage souple 30 assure également la liaison d’une bague externe 12 d’un palier à roulement 14 à un support annulaire 16 de ce palier 14. Le palier 14 comporte, en plus de la bague externe 12, une bague interne 18 qui est solidaire d’un arbre A de la turbomachine. Les bagues 12, 18 définissent un chemin de roulement de rouleaux dans l’exemple représenté. La bague externe 12 comprend une bride annulaire 12a radialement externe qui comprend des orifices traversés par des extrémités 32a des colonnettes 32. Ces extrémités 32a sont filetées et reçoivent des écrous 34 serrés contre la bride 12a. Les extrémités 32b opposées des colonnettes 32 sont fixées dans des trous du support 16. La cage 30 comprend ici une série de colonnettes 32 qui sont réparties autour de l’axe X et s’étendent parallèlement à cet axe. Les colonnettes 32 comportent chacune un corps 32c qui a en section une forme circulaire, c’est-à-dire axisymétrique (symétrique par rapport à leur axe Y). Les colonnettes 32 sont de plus disposées de manière symétrique par rapport à l’axe X. La cage souple 30 est ainsi « axisymétrique », et la raideur de la cage 10 et du palier 14 est donc la même dans toutes les directions transversales (perpendiculaires à l’axe X). Cependant, d’un point de vue dynamique, il peut être intéressant d’avoir des raideurs différentes dans deux directions orthogonales : cela fournit un effet stabilisateur au dispositif en repoussant la vitesse d’apparition d’instabilités dues à l’amortissement interne de l’arbre. En effet, en créant des souplesses différentes selon au moins deux directions, on observe l’apparition d’au moins deux modes contre un seul et unique mode dans le cas axisymétrique. Dans le cas où la raideur radiale initiale de la cage souple axisymétrique K est telle que K1 Dans ce cas, la fréquence d’apparition possible des instabilités est augmentée, ce qui permet de limiter le risque d’instabilité potentiellement dommageable pour le moteur. Le contrôle des déplacements de l’arbre selon l’azimut peut aussi être exploité pour améliorer les performances du moteur. En effet, sous chargement mécanique ou thermique la carcasse du moteur se déforme, ces distorsions génèrent des ouvertures et fermetures de jeux différentes selon l’azimut. Cela implique une dégradation de la performance du moteur qui pourrait être limitée si le déplacement dynamique est optimisé pour compenser une partie de la distorsion, par exemple en raidissant la cage souple dans la direction de la fermeture de jeu et en l’assouplissant dans la direction de l’ouverture de jeu. La présente invention permet de répondre à ce besoin grâce à des colonnettes dont les corps ont en section transversale une forme non axisymétrique. Les figures 3 et suivantes illustrent un mode de réalisation d’un dispositif, selon l’invention, de centrage et de guidage d’un arbre de turbomachine d’aéronef. Le dispositif comprend : - une bague externe 12 d’un palier à roulement 14, cette bague s’étendant autour d’un axe X, - un support annulaire 16 de palier s’étendant autour de l’axe X et au moins en partie autour de la bague 12, et - une série de colonnettes 40 de liaison de la bague 12 au support 16. Les colonnettes 40 sont réparties autour de l’axe X et s’étendent sensiblement parallèlement à cet axe. Chacune de ces colonnettes 40 comporte un corps 40c de forme allongée s’étendant entre deux extrémités longitudinales 40a, 40b. La bague 12 a en section axiale une forme générale en L et comprend une partie cylindrique 12b dont une extrémité axiale est reliée à une bride annulaire 12a radialement externe de fixation des colonnettes 40. La partie cylindrique 12b de la bague 12 comprend à sa périphérie interne une gorge annulaire 12c de roulement des billes du palier 14 et à sa périphérie externe une surface cylindrique externe 12d définissant avec le support 16 un espace annulaire de formation d’un film d’huile d’amortissement. La bride 12a de la bague 12 comporte des orifices 42 traversés par les extrémités 40a des colonnettes 40, ces extrémités 40a étant filetées et recevant des écrous 43 serrés contre cette bride 12a et en particulier contre une première face de cette bride opposée à la partie cylindrique 12b de la bague. Le support 16 est partiellement représenté dans les dessins. Le support 16 comprend une première paroi cylindrique 16b s’étendant autour de la partie cylindrique 12b de la bague 12 et comportant une surface cylindrique interne 16a définissant avec la surface 12d l’espace précité de formation du film d’huile d’amortissement. Le support 16 comprend une seconde paroi cylindrique 16c s’étendant autour de la première paroi cylindrique 16b, voire également autour de la bride 12a de la bague 12. Les première et seconde parois cylindriques 16b, 16c sont reliées entre elles par une paroi annulaire 16d sensiblement radiale comportant des ouvertures 44 traversés avec jeu par les corps 40c des colonnettes 40. Les ouvertures 44 ont en section transversale une forme générale circulaire. Dans l’exemple représenté, on remarque que les colonnettes 40 traversent un espace annulaire formé entre les parois 16b, 16c. La paroi 16d est ici située plutôt à une extrémité axiale de cet espace. Le support 16 comprend en outre une bride annulaire 16e comportant des orifices 46 traversés par les extrémités 40b des colonnettes 40 ; ces extrémités 40b étant filetées et recevant des écrous 48 serrés contre cette bride 16e. Le corps 40c de chaque colonnette 40 est relié à chacune des extrémités 40a, 40b par des collerettes annulaires 40d (figures 5 et 6). Les collerettes sont en appui respectivement sur les brides 16e, 12a du support 16 et de la bague 12. Dans l’exemple représenté, la collerette 40d en appui sur la bride12a de la bague 12, et en particulier sur sa face située du côté de la paroi 12b, comprend une encoche 50 de réception d’un ergot 52 porté par la bague. Il s’agit d’un ergot 52 anti-rotation qui bloque en rotation la colonnette 40 autour de son propre axe Y. Il est ainsi possible de bloquer en rotation des colonnettes de façon à ce que leurs positions telles que décrites ci-dessus ne changent pas au cours du temps. La coopération de l’ergot 52 avec l’encoche 50 sert aussi de moyen détrompage lors du montage de la cage souple, de façon à s’assurer que les colonnettes sont bien positionnées vis-à-vis de la bague 12 et les unes par rapport aux autres. Dans l’exemple non limitatif représenté, le corps 40c de chaque colonnette 40 a en section transversale une forme rectangulaire. Le corps 40c de chaque colonnette 40 a en section transversale une forme aplatie dans un plan P, les plans P des colonnettes étant parallèles entre eux et à l’axe X (cf. figures 7 et 8). Dans le cas de figure représenté à la , on comprend que la cage 10 est non axisymétrique par rapport à l’axe X et sa raideur n’est pas non plus axisymétrique. La raideur de la cage dans une direction transversale parallèle aux plans P (flèche F1) est plus importante que la raideur de la cage dans une direction perpendiculaire à ces plans (flèche F2). Le dispositif et la cage souple selon l’invention sont ainsi avantageux dans la mesure où la raideur de la cage est différente selon la position angulaire de l’effort transmis à la cage dans une direction transversale à son axe principal. Dispositif de centrage et de guidage d’un arbre de turbomachine d’aéronef, ce dispositif comportant : - une bague externe (12) d’un palier à roulement (14), cette bague s’étendant autour d’un axe (X), - un support annulaire (16) de palier s’étendant autour de l’axe (X) et au moins en partie autour de la bague (12), - une série de colonnettes (40) de liaison de la bague au support, ces colonnettes étant réparties autour de l’axe (X) et s’étendant sensiblement parallèlement à cet axe, chacune de ces colonnettes comportant un corps (40c) de forme allongée et relié à une première extrémité longitudinale (40b) de fixation au support et à une seconde extrémité longitudinale (40a) de fixation à la bague, caractérisé en ce que le corps (40c) de chaque colonnette (40) a en section transversale une forme non axisymétrique. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel le corps (40c) de chaque colonnette (40) a en section transversale une forme rectangulaire. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le corps (40c) de chaque colonnette (40) a en section transversale une forme aplatie dans un plan P, les plans P des colonnettes étant parallèles entre eux et à l’axe. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la bague externe (12) comprend une surface cylindrique externe (12c) définissant avec le support (16) un espace annulaire de formation d’un film d’huile d’amortissement. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la bague externe (12) comporte une bride annulaire (12a) comportant des orifices (42) traversés par les secondes extrémités (40a) des colonnettes (40), ces secondes extrémités étant filetées et recevant des écrous (43) serrés contre cette bride. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le support (16) comprend une première paroi cylindrique (16b) comportant une surface cylindrique interne (16c) définissant avec la bague (12) un espace annulaire de formation d’un film d’huile d’amortissement. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le support (16) comprend des ouvertures (44) traversées avec jeu par les corps (40c) des colonnettes (40). Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les ouvertures (44) ont en section transversale une forme générale circulaire. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le support (16) comprend une bride annulaire (16e) comportant des orifices (46) traversées par les premières extrémités (40a) des colonnettes (40a), ces premières extrémités étant filetées et recevant des écrous (48) serrés contre cette bride. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la bague (12) comprend des premiers éléments (52) configurés pour coopérer avec des seconds éléments (50) complémentaires des colonnettes (40) afin de les bloquer en rotation autour de leurs axes respectifs. Turbomachine d’aéronef, comportant au moins un dispositif selon l’une des revendications précédentes.