Brevet FR3159635A1 — publié le 20250829

Turbomachine (10) pour un aéronef, comportant un compresseur (12), une chambre annulaire de combustion (16), une turbine (20), et un tube (52) qui s’étend axialement à l’intérieur d’un arbre (28) et qui comprend une extrémité amont (52a) solidaire en rotation d’une extrémité amont (28a) de l’arbre (28), caractérisé en ce que l’arbre (28) comprend une extrémité aval (28b) qui est libre de se déplacer en rotation vis-à-vis d’une extrémité aval (52b) du tube (52) sur une course angulaire (β) prédéterminée, et qui est reliée à cette extrémité aval (52b) du tube (52) par un système automatique de freinage à patins (54). Figure d’abrégé : figure 1 TURBOMACHINE POUR UN AERONEF Domaine technique de l'invention L’invention concerne une turbomachine pour un aéronef. Arrière-plan technique L’état de l’art comprend notamment les documents FR-A1-3 026 774, FR-A1-2 773 586 et WO-A1-2011/117560. De manière bien connue, une turbomachine d’aéronef s’étend selon un axe longitudinal et comprend d’amont en aval dans le sens d’écoulement des gaz, une soufflante, au moins un compresseur une chambre annulaire de combustion, au moins une turbine et enfin une tuyère d’échappement des gaz de combustion. Dans le cas d’une turbomachine à double corps, respectivement basse pression et haute pression, la turbomachine comprend, entre la soufflante et la tuyère, un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, la chambre de combustion, une turbine haute pression, et une turbine basse pression. Le corps haute pression comprend un arbre haute pression qui relie le rotor du compresseur haute pression au rotor de la turbine haute pression. L’arbre haute pression est tubulaire et traversé axialement par l’arbre basse pression du corps basse pression. Cet arbre basse pression relie le rotor du compresseur basse pression au rotor de la turbine basse pression, et est en outre relié directement ou par l’intermédiaire d’un réducteur mécanique à l’arbre de la soufflante. En cas d’avarie comme la rupture d’un aube de soufflante, appelée FBO (qui est l’acronyme de l’anglais Fan Blade Out ), un balourd important est créé ce qui entraîne un excentrement radial important de l’amont du rotor jusqu’au contact entre la soufflante avec un carter qui l’entoure. Un couple de freinage important résultant de ce contact apparait au niveau du compresseur basse pression alors que dans le même temps le rotor de la turbine continue à tourner et à entrainer l’arbre basse pression. Par conséquent, l’arbre basse pression est soumis à un surcouple de torsion très important et se tord. L’angle de torsion lors d’un tel évènement peut atteindre des valeurs élevées jusqu’à plusieurs dizaines de degrés. Cet angle est lié à un fort couple dans l’arbre basse pression qui dans la majeure partie des applications correspond au cas de charge dimensionnant pour cet arbre. Dans la technique actuelle, il existe des systèmes de découpleur permettant de réduire la charge radiale transmise à la turbomachine. En revanche, il n’existe pas de solution permettant de réduire le couple de torsion induit dans un arbre, et en particulier dans l’arbre basse pression, par le freinage précité. L’invention propose une solution simple, efficace et économique à ce besoin. A cet effet, l’invention propose une turbomachine pour un aéronef, comportant : - au moins un compresseur, - une chambre annulaire de combustion, - au moins une turbine, la turbine comportant un rotor qui est relié par un arbre à un rotor du compresseur, l’arbre s’étendant le long d’un axe longitudinal et étant tubulaire, et - un tube qui s’étend axialement à l’intérieur de l’arbre et qui comprend une extrémité amont solidaire en rotation d’une extrémité amont de l’arbre, caractérisé en ce que l’arbre comprend une extrémité aval qui est libre de se déplacer en rotation vis-à-vis d’une extrémité aval du tube sur une course angulaire prédéterminée, et qui est reliée à cette extrémité aval du tube par un système automatique de freinage à patins, le système de freinage étant mobile depuis une position rétractée non fonctionnelle dans laquelle les patins sont à distance radiale d’un stator qui entoure l’extrémité aval de l’arbre, lorsque l’arbre subit un effort de torsion autour de son axe qui est nul ou inférieur à un seuil prédéterminé, et une position déployée fonctionnelle dans laquelle les patins sont appliqués radialement contre le stator afin de freiner l’arbre, lorsque l’arbre subit un effort de torsion supérieur audit seuil. L’invention consiste ainsi à mettre en œuvre un système permettant de limiter / réduire le couple de torsion dans l’arbre sous chargement ultime type FBO. En effet, un évènement du type FBO entraine une forte torsion dans l’arbre. L’idée de l’invention est de profiter de cette torsion pour enclencher un système de freinage au niveau de l’extrémité aval de l’arbre afin de préserver la tenue mécanique de l’arbre et décontraindre son dimensionnement. En effet, le couple de torsion de l’arbre résulte d’une différence de couple entre l’amont et l’aval lorsque l’amont est soumis à un couple de freinage important. Si au même moment un couple de freinage est appliqué également au niveau de l’extrémité aval de l’arbre, cela réduira le couple et l’angle de torsion que subit cet arbre. Pour réaliser cela, on ajoute un « tube » à l’intérieur de l’arbre, solidaire en rotation de l’arbre à l’amont et avec au moins un degré de liberté à l’aval, par exemple en roulis, vis-à-vis de l’arbre. On ajoute également à l’aval un système de freinage du type à patins ou à tambour apte à coopérer avec un stator de la turbomachine, tel qu’un support de palier(s). La turbomachine selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : le stator est un support de palier(s) qui porte au moins un palier de guidage de l’extrémité aval de l’arbre ; le système de freinage comprend une paire de bras de forme allongée, chacun des bras comportant une première extrémité longitudinale articulée sur l’arbre et une seconde extrémité longitudinale qui est opposée à la première extrémité et qui porte au moins un des patins, chacun des bras étant en outre relié au tube par une biellette ; les bras sont diamétralement opposés par rapport audit axe longitudinal. les bras sont positionnés de manière tangentielle par rapport à une circonférence centrée sur ledit axe longitudinal ; -- les bras et les biellettes s’étendent dans un plan perpendiculaire audit axe ; chacun des patins a une forme incurvée et comprend une face d’appui radialement externe qui a une forme incurvée convexe ; chacun des patins a une étendue angulaire supérieure ou égale à 20° autour dudit axe longitudinal ; ladite course angulaire est comprise entre 1 et 10° ; l’extrémité aval du tube est centrée et guidée dans l’extrémité aval de l’arbre par au moins un palier à roulement ; l’extrémité aval du tube est centrée dans l’extrémité aval de l’arbre par au moins un organe d’appui ; elle comprend en outre un support de palier(s) qui porte au moins un palier de guidage de l’extrémité amont de l’arbre ; le tube est un tube de dégazage dont l’extrémité amont est apte à collecter de l’air déshuilé issu d’une enceinte de lubrification dudit au moins un palier de guidage de l’extrémité amont de l’arbre ; la turbomachine st à double corps et comprend un corps basse pression et un corps haute pression, ledit arbre faisant partie du corps basse pression. Brève description des figures D’autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit d’un mode de réalisation non limitatif de l’invention en référence aux dessins annexés sur lesquels : FIG. 1 la FIG. 1 est une vue schématique partielle en coupe axiale d’une turbomachine d’aéronef selon l’invention ; FIG. 2 la FIG. 2 est une vue très schématique d’un phénomène de torsion d’un arbre dans une turbomachine d’aéronef ; FIG. 3 la FIG. 3 est une vue schématique en coupe transversale d’un arbre et d’un tube d’une turbomachine selon l’invention, et illustre un mode de réalisation du système de freinage à patins qui est ici dans une position rétractée non fonctionnelle, et FIG. 4 la FIG. 4 est une vue similaire à celle de la FIG. 3 et illustre une position déployée fonctionnelle du système de freinage à patins. Description détaillée de l'invention La FIG. 1 illustre une turbomachine 10 d’aéronef dans laquelle l’invention peut être installée. La configuration de la turbomachine 10 n’est donc pas limitative. La turbomachine 10 a un axe longitudinal noté X. La turbomachine 10 est du type à double corps et comprend un corps basse pression et un corps haute pression. La turbomachine 10 comprend un générateur de gaz qui comprend de l’amont vers l’aval, dans le sens d’écoulement des gaz de combustion, un compresseur basse pression 12, un compresseur haute pression 14, une chambre annulaire de combustion 16, une turbine haute pression 18, et une turbine basse pression 20. Le rotor 14a du compresseur haute pression 14 est relié par un arbre haute pression 22 au rotor 18a de la turbine haute pression 18, pour former le corps haute pression. Les stators du compresseur haute pression 14 et de la turbine haute pression 18 ne sont pas représentés dans le dessin. L’arbre haute pression 22 est tubulaire et centré et guidé en rotation par des paliers 24, 26, respectivement au niveau des extrémités amont et aval de l’arbre 22. Le rotor 12a du compresseur basse pression 12 est relié par un arbre basse pression 28 au rotor 20a de la turbine basse pression 20, pour former le corps basse pression. Les stators du compresseur basse pression 12 et de la turbine basse pression 20 ne sont pas représentés dans le dessin. L’arbre basse pression 28 est tubulaire et passe à l’intérieur de l’arbre haute pression 22. L’arbre basse pression 28 est centré et guidé en rotation par des paliers 32, 34, au niveau des extrémités amont et aval de l’arbre 28. Les paliers 24, 32 de guidage des arbres 22, 28 situés à l’amont peuvent être portés par un support de paliers 36 qui peut être relié à un carter intermédiaire 38. Ce carter intermédiaire 38 est situé axialement entre les compresseurs 12, 14. Ces paliers 24, 32 sont de préférence logés dans une enceinte de lubrification E dans lequel règne un brouillard d’huile. L’air chargé d’huile contenu dans cette enceinte E peut passer à travers des orifices radiaux 40 de l’arbre 28 en vue de la séparation de l’air vis-à-vis de l’huile et de l’évacuation de l’air déchargé de l’huile. Dans l’exemple représenté, le palier 26 est un palier inter-arbre et est monté entre les arbres 22, 28. Le palier, 34 situé à l’aval peut être porté par un autre support de palier 42 qui peut être relié à un carter d’échappement 44. Ce carter d’échappement 44 est situé axialement en aval des turbines 18, 20. L’arbre basse pression 28 est en outre relié, directement ou par l’intermédiaire d’un réducteur mécanique, à un arbre 46 d’entrainement d’une soufflante 48. L’arbre 46 de la soufflante 48 est centré et guidé en rotation par un palier 30 porté par le support de paliers 36. La soufflante 48 tourne à l’intérieur d’un carter de soufflante 50 qui peut être relié au carter intermédiaire 38 précité. La FIG. 2 illustre un phénomène de torsion d’un arbre, tel qu’un arbre basse pression 28, lors d’un avarie du type FBO par exemple. Cette avarie entraîne un balourd et un excentrement radial important de la soufflante 48 avec le carter 50 qui l’entoure. Un couple de freinage important résultant de ce contact apparait au niveau du compresseur basse pression 12 alors que dans le même temps le rotor 20a de la turbine basse pression 20 continue à tourner et à entrainer l’arbre basse pression 28. Par conséquent, l’arbre basse pression 28 est soumis à un surcouple de torsion très important et se tord. L’angle de torsion lors d’un tel évènement peut atteindre des valeurs élevées jusqu’à plusieurs dizaines de degrés. Cet angle est lié à un fort couple dans l’arbre basse pression 28 qui dans la majeure partie des applications correspond au cas de charge dimensionnant pour cet arbre 28. L’invention permet de résoudre ce problème grâce à un système permettant de réduire le couple de torsion maximal vu par l’arbre en cas extrême et donc de décontraindre son dimensionnement. Ce système est un système automatique ou passif de freinage à patins. Dans la présente demande, on entend par automatique ou passif, le fait que le système s’active de lui-même sans intervention particulière, et en particulier du seul fait du couple ou de l’effort de torsion appliqué à l’arbre en fonctionnement. Pour cela, l’arbre basse pression 28 est traversé axialement par un tube 52. Avantageusement, ce tube 52 est un tube de dégazage, c’est-à-dire un tube apte à acheminer l’air déshuilé précité depuis l’amont jusqu’à l’aval de la turbomachine. En variante, le tube 52 pourrait ne pas avoir cette fonction de dégazage et être installé dans la turbomachine uniquement pour sa fonction de freinage conformément à l’invention. Le tube 52 s’étend axialement à l’intérieur de l’arbre 28 et comprend une extrémité amont 52a solidaire en rotation d’une extrémité amont 28a de l’arbre 28. L’extrémité aval 52b du tube 52 peut être centrée et guidée dans l’extrémité aval 28b de l’arbre 28 par au moins un palier à roulement 53, ou être centrée dans l’extrémité aval 28b de l’arbre 28 par au moins un organe d’appui 53’. L’extrémité aval 28b de l’arbre 28 est libre de se déplacer en rotation vis-à-vis de l’extrémité aval 52b du tube 52 sur une course angulaire prédéterminée. L’extrémité aval 28b de l’arbre 28 est reliée à l’extrémité aval 52b du tube 52 par le système automatique de freinage à patins 54. Ce système de freinage 54, dont un mode de réalisation est illustré aux figures 3 et 4, peut adopter une position rétractée non fonctionnelle ( FIG. 3 ) dans laquelle les patins 56 sont à distance radiale d’un stator 58 qui entoure l’extrémité aval 28b de l’arbre 28, lorsque l’arbre 28 subit un effort de torsion autour de son axe X qui est nul ou inférieur à un seuil prédéterminé. Le système de freinage 54 peut adopter une position déployée fonctionnelle ( FIG. 4 ) dans laquelle les patins 56 sont appliqués radialement contre le stator 58 afin de freiner l’arbre 28, lorsque l’arbre 28 subit un effort de torsion supérieur au seuil précité. Le système de freinage 54 et les patins 56 sont aptes à se déplacer de la position rétractée à la position déployée de manière automatique. La course angulaire β précitée entre l’arbre 28 et le tube 52 est par exemple comprise entre 1 et 10°. Dans l’exemple représenté à la FIG. 1 , le stator 58 est formé par le support de palier 42 ou une partie reliée à ce support de palier. Comme cela sera décrit dans ce qui suit, le stator 58 correspond à la piste sur lequel le système de freinage 58 va venir exercer une pression lors de l’actionnement du système. Dans un mode de réalisation préféré, le système de freinage 54 comprend une paire de bras 60 de forme allongée. Chacun des bras 60 comporte une première extrémité longitudinale 60a articulée sur l’arbre 28 et une seconde extrémité longitudinale 60b qui est opposée à la première extrémité 60a et qui porte au moins un des patins 56. Chacun des bras 60 est en outre relié au tube 52 par une biellette 62. Les bras 60 sont de préférence diamétralement opposés par rapport à l’axe longitudinal X. Les bras 60 peuvent être positionnés de manière tangentielle par rapport à une circonférence centrée sur l’axe longitudinal X. Les bras 60 et les biellettes 62 s’étendent de préférence dans un plan perpendiculaire à l’axe X comme dans l’exemple représenté. Chacun des patins 56 peut avoir une forme incurvée et comprendre une face 56a d’appui radialement externe qui a une forme incurvée convexe. Cette face est configurée pour prendre appui sur une surface cylindrique interne du stator 58 dans l’exemple représenté. Chacun des patins 56 a par exemple une étendue angulaire α supérieure ou égale à 20° autour de l’axe longitudinal X. En fonctionnement normal, le système de freinage 54 est en position non fonctionnelle ( FIG. 3 ). Si l’arbre 28 subit un effort de torsion inférieur au seuil prédéterminé, le système de freinage 54 reste dans sa position non fonctionnelle ou dans une position telle que les patins 56 restent à distance radiale du stator. Plus précisément, l’actionnement du système se déclenche par un différentiel de position entre l’arbre 28 et le tube 52. Il se créé un déphasage en rotation entre les deux, ce qui a pour conséquence d’actionner le mouvement des biellettes 62 et des patins 56. Dès que l’arbre 28 subit un effort de torsion supérieur au seuil, les bras 60 se déploient et les patins 56 prennent appui sur le stator pour freiner l’arbre et réduire le couple et l’angle de torsion que subit cet arbre. Après un effort de torsion, soit la torsion est inférieure à la limite élastique de l’arbre 28 et dans ce cas le système retourne de lui-même à la position initiale, soit la torsion est supérieure à la limite élastique de l’arbre 28 et, dans ce cas, il serait possible d’aller jusqu’à immobiliser le rotor ce qui ne serait pas problématique car en cas d’évènement extrême de ce type, le moteur n’est de toute façon plus opérable au final et nécessiterait une maintenance. Turbomachine (10) pour un aéronef, comportant : - au moins un compresseur (12), - une chambre annulaire de combustion (16), - au moins une turbine (20), la turbine (20) comportant un rotor (20a) qui est relié par un arbre (28) à un rotor (12a) du compresseur (12), l’arbre (28) s’étendant le long d’un axe longitudinal (X) et étant tubulaire, et - un tube (52) qui s’étend axialement à l’intérieur de l’arbre (28) et qui comprend une extrémité amont (52a) solidaire en rotation d’une extrémité amont (28a) de l’arbre (28), caractérisé en ce que l’arbre (28) comprend une extrémité aval (28b) qui est libre de se déplacer en rotation vis-à-vis d’une extrémité aval (52b) du tube (52) sur une course angulaire (β) prédéterminée, et qui est reliée à cette extrémité aval (52b) du tube (52) par un système automatique de freinage à patins (54), le système de freinage (54) étant mobile depuis une position rétractée non fonctionnelle dans laquelle les patins (56) sont à distance radiale d’un stator (58) qui entoure l’extrémité aval (28b) de l’arbre (28), lorsque l’arbre (28) subit un effort de torsion autour de son axe (X) qui est nul ou inférieur à un seuil prédéterminé, et une position déployée fonctionnelle dans laquelle les patins (56) sont appliqués radialement contre le stator (58) afin de freiner l’arbre (28), lorsque l’arbre (28) subit un effort de torsion supérieur audit seuil. Turbomachine (10) selon la revendication 1, dans laquelle le stator (58) est un support de palier(s) (42) qui porte au moins un palier (34) de guidage de l’extrémité aval (28b) de l’arbre (28). Turbomachine (10) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le système de freinage (54) comprend une paire de bras (60) de forme allongée, chacun des bras (60) comportant une première extrémité longitudinale (60a) articulée sur l’arbre (28) et une seconde extrémité longitudinale (60b) qui est opposée à la première extrémité (60a) et qui porte au moins un des patins (56), chacun des bras (60) étant en outre relié au tube (52) par une biellette (62). Turbomachine (10) selon la revendication 3, dans laquelle les bras (60) sont diamétralement opposés par rapport audit axe longitudinal (X). Turbomachine (10) selon la revendication 3 ou 4, dans laquelle les bras (60) sont positionnés de manière tangentielle par rapport à une circonférence centrée sur ledit axe longitudinal (X). Turbomachine (10) selon l’une des revendications 3 à 5, dans laquelle chacun des patins (56) a une forme incurvée et comprend une face d’appui (56a) radialement externe qui a une forme incurvée convexe. Turbomachine (10) selon la revendication 6, dans laquelle chacun des patins (56) a une étendue angulaire (α) supérieure ou égale à 20° autour dudit axe longitudinal (X). Turbomachine (10) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle ladite course angulaire (β) est comprise entre 1 et 10°. Turbomachine (10) selon l’une des revendications 1 à 8, dans laquelle l’extrémité aval (52b) du tube (52) est centrée et guidée dans l’extrémité aval (28b) de l’arbre (28) par au moins un palier à roulement (53). Turbomachine (10) selon l’une des revendications 1 à 8, dans laquelle l’extrémité aval (52b) du tube (52) est centrée dans l’extrémité aval (28b) de l’arbre (28) par au moins un organe d’appui (53’). Turbomachine (10) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle elle comprend en outre un support de palier(s) (36) qui porte au moins un palier (32) de guidage de l’extrémité amont (28a) de l’arbre (28). Turbomachine (10) selon la revendication précédente, dans laquelle le tube (52) est un tube de dégazage dont l’extrémité amont (52a) est apte à collecter de l’air déshuilé issu d’une enceinte (E) de lubrification dudit au moins un palier (32) de guidage de l’extrémité amont (28a) de l’arbre (28). Turbomachine (10) selon l’une des revendications précédentes, cette turbomachine (10) étant à double corps et comprenant un corps basse pression et un corps haute pression, ledit arbre (28) faisant partie du corps basse pression.