Brevet FR3159412A1 — publié le 20250822

RATTRAPAGE PASSIF DE L’ELONGATION D’UN ARBRE DE TURBINE Un aspect de l’invention concerne une turbomachine (1, 1’) comprenant un rotor (3) et un stator (4) d’axe X, le rotor (3) étant emmanché sur un arbre (2) et comprenant des aubes (30) présentant une orientation définissant un angle α par rapport à l’axe X’ parallèle à l’axe X, elle est caractérisée en ce que le rotor (3) est relié à l’arbre (2) par une liaison de guidage définissant un chemin de déplacement de forme hélicoïdale. La rotation du rotor produit une force aérodynamique qui va provoquer un déplacement du rotor sur l’arbre d’entrainement sur le chemin de déplacement, de cette façon le déplacement relatif du rotor par rapport au stator dû aux conditions thermiques et mécaniques de la turbomachine est compensé. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 4 RATTRAPAGE PASSIF DE L’ELONGATION D’UN ARBRE DE TURBINE DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION Le domaine technique de l’invention est celui des turbomachines et notamment les turboréacteurs d’avions civils et militaires et en particulier les turboréacteurs disposant d’organes tournants de type compresseur ou turbine raccrochés à un arbre rotor. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION En fonctionnement, les turbomachines entrainent des variations de températures et d’efforts axiaux s’appliquant sur les éléments du stator et du rotor. Les différences de conditions thermiques, de matériaux et de contraintes mécaniques induisent des déplacements relatifs importants entre ces différents éléments. Ces déplacements relatifs sont une contrainte à prendre en compte pour le dimensionnement des organes tournants notamment pour les compresseurs et les turbines. Ces déplacements ont pour effet une perte de rendement thermodynamique ou une usure prématurée des aubes. De plus, plus la distance de l’organe au palier à billes faisant la liaison entre le rotor et le stator est importante, plus le déplacement différentiel est grand. Actuellement, on cherche à limiter le déplacement axial de l’arbre rotor par divers moyens afin que les organes tournants restent en place par rapport au stator. Ainsi la compensation de la poussée axiale et donc des déplacements axiaux d’un rotor s’effectue généralement par un contrôle de pressions aérodynamiques s’exerçant axialement sur des parois solidaires du rotor On connait notamment du brevet FR 2 708 044 un dispositif de mesure de la poussée axiale exercée par un rotor sur un stator, il comporte un capteur de force constitué par des barreaux déformables insérés dans une paroi intermédiaire approximativement cylindrique ou tronconique d'un support de palier, une ou plusieurs jauges extenso métriques connectées à un circuit électronique de mesure étant disposées sur les barreaux déformables. Ce dispositif de mesure permet de moduler un dispositif actif de compensation de la poussée axiale du rotor. Cependant ce dispositif est encombrant et nécessite des capteurs ce qui augmente le coût de fabrication et le poids de la turbomachine. L’invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment, en découplant de l’arbre du rotor de la turbomachine (turbine ou compresseur) avec une liaison de couplage adaptée de façon à immobiliser ou limiter grandement le déplacement axial du rotor. La turbomachine selon l’invention comprend un rotor et un stator d’axe X, le rotor étant emmanché sur un arbre et comprenant des aubes définissant une corde faisant un angle α par rapport un axe X’ parallèle à l’axe X, elle est caractérisée en ce que le rotor est relié à l’arbre par une liaison de guidage définissant un chemin de glissement de forme hélicoïdale. La rotation du rotor produit une force aérodynamique qui va provoquer un déplacement du rotor sur l’arbre d’entrainement sur le chemin de déplacement, de cette façon le déplacement relatif du rotor par rapport au stator dû aux conditions thermiques et mécaniques de la turbomachine est compensé. L’arbre d’entrainement peut être un arbre de transmission. L’orientation de l’angle α définit la nature de la turbomachine, une turbine avec des aubes d’angle α engendre une force aérodynamique opposée à celle engendrée par un compresseur avec des aubes d’angle – α. Avantageusement, le chemin de déplacement de forme hélicoïdale définit un pas d’angle β selon l’axe X de même orientation que l’angle α des aubes tel que 0 Avantageusement, le chemin de déplacement a une forme hélicoïdale avec un rayon de courbure croissant. Cela permet une position d’équilibre entre la résultante des efforts aérodynamiques et le couple avec la normale au profil du chemin de déplacement au point d’équilibre considéré, le déplacement du rotor par rapport à l’arbre est ainsi stabilisé. Selon un premier mode de réalisation, la liaison de guidage est constituée d’au moins un pion et d’une cannelure. Le pion glisse dans la cannelure pour permettre le déplacement du rotor sur l’arbre. Selon un deuxième mode de réalisation, la liaison de guidage est constituée d’au moins une bille et d’un chemin de roulement. La bille va rouler dans le chemin de roulement et ainsi permettre le déplacement du rotor sur l’arbre. Selon une première variante, la cannelure ou le chemin de roulement est disposée sur l’arbre et le pion ou la bille sur le rotor. La cannelure est disposée sur la surface de l’arbre et le pion est fixé sur la surface intérieure du rotor en vis-à-vis de l’arbre. La cannelure pourra être obtenue par usinage. Le chemin de roulement est sur la surface de l’arbre tandis que la bille est placée dans un évidement prévu à cet effet à l’intérieur du rotor Selon une deuxième variante, la cannelure ou le chemin de roulement est disposée sur le rotor, et le pion ou la bille est disposé sur l’arbre. La cannelure est disposée sur la surface intérieure du rotor en vis-à-vis de l’arbre et le pion sur la surface de l’arbre. Le chemin de roulement est placé sur la surface intérieure du rotor en vis-à-vis de l’arbre et la bille est placée dans un évidement sur la surface de l’arbre. Avantageusement, il y a plusieurs cannelures ou chemins de roulement et pions glissants ou billes et au moins autant de pions glissants ou de billes que de cannelures ou de chemins de roulement. L’utilisation de plusieurs cannelures dans chacune desquelles glisse un pion permet d’avoir une meilleure répartition des efforts. De la même façon, l’utilisation de plusieurs chemins de roulement couplés chacun à une ou plusieurs billes permet d’avoir une meilleure répartition des efforts. Avantageusement, une butée est disposée dans la cannelure ou le chemin de roulement. Cette butée permet de limiter le déplacement du rotor par rapport à l’arbre. Cette butée est particulièrement utile quand la cannelure ou le chemin de roulement a un rayon de courbure constant. Avantageusement, le rotor est un rotor de compresseur ou un rotor de turbine. La turbine et le compresseur ont des aubes d’orientations opposées. Avantageusement, les cannelures ne couvrent qu’une partie de la périphérie de l’arbre ou du rotor. Le déplacement de l’arbre par rapport au rotor étant faible, la cannelure n’a pas besoin de couvrir la totalité de la périphérie de l’arbre ou du rotor. La longueur de la cannelure est définie en fonction du déplacement maximum désiré. Avantageusement, au moins un premier pion et une première cannelure sont disposés de façon symétrique par rapport à l’axe X à un deuxième pion et une deuxième cannelure. Cette disposition symétrique d’un deuxième pion et d’une deuxième cannelure au premier pion et à la première cannelure, ou d’une deuxième rangée de pions et de cannelures à une première rangée de pions et de cannelures, sur l’arbre et le rotor permet d’équilibrer les efforts radiaux entre eux. Avantageusement, le rotor comprend plusieurs rangées d’aubes. L’ensemble des aubes sont ainsi déplacées ensemble de la même distance et en même temps. D’autres avantages pourront encore apparaître à l’homme du métier à la lecture des exemples ci-dessous, illustrés par les figures annexées, donnés à titre illustratif. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention. FIG. 1 est une vue selon l’axe de rotation du rotor d’une turbine montrant les efforts exercés sur l’arbre et le rotor ; FIG. 2 est une vue selon l’axe de rotation du rotor d’un compresseur montrant les efforts exercés sur l’arbre et le rotor ; FIG. 3 est une vue axiale d’une turbine selon l’invention en position de repos ; FIG. 4 est une vue axiale d’une turbine de la FIG. 3 en équilibre lors de sa rotation; FIG. 5 est une vue axiale d’un compresseur selon l’invention en position de repos; FIG. 6 est une vue axiale d’un compresseur de la FIG. 5 en position d’équilibre lors de sa rotation; FIG. 7 est une vue en perspective d’une variante d’un arbre selon l’invention. DESCRIPTION DETAILLEE Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique. Dans toute la description on appellera « amont » la partie disposée en avant dans le sens d’écoulement de l’air et « aval » la partie disposée en arrière. Le sens d’écoulement de l’air est représenté par la flèche A. L’exemple décrit correspond au premier mode de réalisation, mais s’applique aussi au seconde mode de réalisation en remplaçant la cannelure par un chemin de roulement et le pion par une bille. Une turbomachine 1 ou 1’ d’axe X comprend un rotor 3 équipé d’aubes 30 réparties sur une ou plusieurs rangées et relié à un arbre 2, tournant dans un stator 4. L’arbre est tenu par des roulements 21 à au moins une extrémité. Une turbomachine 1 ou 1’ tournant dans le sens des aiguilles d’une montre selon la flèche R, comme illustré sur les figures, crée des efforts aérodynamiques Fa qui sont orientés différemment selon si celle-ci est une turbine 1 ( FIG. 1 ) ou un compresseur 1’ ( FIG. 2 ). Ces efforts aérodynamiques Fa combinés avec l’augmentation de la température quand la turbomachine est en mouvement, induisent une dilatation de l’arbre et son allongement sous l’effort de traction dû aux efforts aérodynamiques Fa, ce qui provoque un déplacement axial du rotor par rapport au stator, d’où un risque de perte de rendement ou d’usure prématurée des aubes. Pour compenser ce déplacement axial, l’invention comprend une liaison entre l’arbre 2 et le rotor 3 qui permet un déplacement da par allongement de l’arbre 2 et un déplacement dr du rotor 3 sur l’arbre. Cette liaison est par exemple illustrée aux figures 3 et 4 pour une turbine 1. L’arbre 2 comprend des cannelures 20 de forme hélicoïdale, ici quatre, dont la courbure est orientée en sens inverse des efforts aérodynamiques Fa. Le rotor 3 comprend sur la face interne en vis-à-vis de l’arbre 2 des pions 31 disposés chacun dans une cannelure 20. L’aube 30 a une corde 300 qui est incliné d’une angle α par rapport à un axe X’ parallèle à l’axe X. Les cannelures 20 sont orientées selon un angle β de même orientation que l’angle α. Lorsque la turbine 1 est en fonctionnement et que l’effort aérodynamique Fa exerce un effort sur l’arbre 2, les pions 31 du rotor vont glisser dans les cannelures 20 entrainant le recul vers l’amont du rotor, comme visible sur la FIG. 4 . Lorsque la cannelure 20 a une forme hélicoïdale avec un rayon de courbure croissant, comme sur les figures 3 et 4, le pion 31 va s’immobiliser lorsque que la force fp exercée par le pion 31, due au couple C exercé par l’arbre sur le rotor, sur la paroi de la cannelure 20 va s’équilibrer avec la composante fd normale au profil de cannelure au point de contact avec un pion de la force exercé par de déplacement de l’arbre 2. Dans ce cas, le rotor s’est déplacé d’une distance relative e sur l’arbre par rapport à sa position d’origine. Il est aussi possible de mettre des butées 22 afin de brider les déplacements de pions 31. Une seule butée 22 est représentée à la FIG. 4 , mais il est préférable d’en prévoir une par cannelure. Lorsque la cannelure 20 a une forme hélicoïdale avec un rayon de courbure constante, c’est une butée 22 disposée dans la cannelure qui va arrêter le pion 31. La position de cette butée 22 est choisie afin de limiter le déplacement du rotor 3 sur l’arbre 2 à une valeur prédéterminée. Comme illustré à la FIG. 7 , l’arbre 2 peut comprendre des cannelures 200 et 201 couvrant partiellement l’arbre 2 et disposées de façon symétrique de part et d’autre d’un plan passant par l’axe X. De préférence les cannelures 200 et 201 ne couvrent chacune qu’au maximum la moitié de la périphérie de l’arbre La liaison glissante entre l’arbre 2 et le rotor 3 peut être faite soit grâce à une cannelure lubrifiée et un pion, soit grâce à un roulement hélicoïdal. Dans ce deuxième cas, la liaison entre l’arbre et le rotor est assurée par un premier chemin de roulement avec des billes et un second chemin de roulement hélicoïdal ou bien un premier et un deuxième chemin de roulement hélicoïdal et des billes. Ce montage peut limiter les efforts maximums transmissibles pour garantir l’intégrité des billes. Des éléments souples servant de ressort peuvent être utilisés afin de forcer le retour à la position initiale après arrêt de la turbomachine. Le ralentissement de la vitesse de rotation de la turbomachine combiné avec le refroidissement des pièces et en particulier de l’arbre, permet un retour du rotor dans sa position d’origine Dans le cas d’un compresseur 1’, l’effort aérodynamique est inversé donc la forme hélicoïdale de la cannelure 20 est aussi inversée, comme on peut le voir sur les figures 5 et 6. L’aube 30 a une corde 300 qui est incliné d’une angle α par rapport à un axe X’ parallèle à l’axe X. Les cannelures 20 sont orientées selon un angle β de même orientation que l’angle α. Ainsi dans ce cas, en mouvement, l‘arbre 2 s’allonge d’une longueur da vers l’aval tandis que le rotor 3 se déplace par rapport à l’arbre 2 vers l’amont d’une distance dr grâce au glissement des pions 31 dans les cannelures 20, cinq sur les figures 5 et 6, jusqu’à la stabilisation des efforts, ou au blocage du déplacement par une butée 22. Le rotor 3 se sera déplacé d’une distance relative e sur l’arbre par rapport à sa position d’origine. Les exemples illustrés montrent des cannelures 20 sur l’arbre 2 et des pions 31 sur la surface intérieure du rotor 3 en vis-à-vis de l’arbre 2, mais il est possible de disposer les cannelures sur la surface intérieure du rotor 3 et les pions 31 sur la surface extérieure de l’arbre 2 sans sortir du cadre de la présente invention. Ici les pions représentés sont de forme ronde, mais il est également possible de les remplacer par un autre type d’élément saillant de forme ovale, carré ou rectangulaire. Turbomachine (1, 1’) comprenant un rotor (3) et un stator (4) d’axe X, le rotor (3) étant emmanché sur un arbre (2) et comprenant des aubes (30) définissant une corde faisant un angle α par rapport à un axe X’ parallèle à l’axe X, caractérisée en ce que le rotor (3) est relié à l’arbre (2) par une liaison de guidage définissant un chemin de déplacement de forme hélicoïdale. Turbomachine (1, 1’) selon la revendication 1 caractérisée en ce que le chemin de déplacement de forme hélicoïdale définit un angle β selon l’axe X de même orientation que l’angle α des aubes (30), tel que 0 Turbomachine (1, 1’) selon une des revendications précédentes caractérisée en ce que le chemin de déplacement de forme hélicoïdale présente un rayon de courbure croissant. Turbomachine (1, 1’) selon une des revendications précédentes caractérisée en ce que la liaison de guidage est constituée d’au moins un pion et d’une cannelure. Turbomachine (1, 1’) selon une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la liaison de guidage est constituée d’au moins une bille et d’un chemin de roulement. Turbomachine (1, 1’) selon une des revendications précédentes caractérisée en ce que la cannelure (20) ou le chemin de roulement est disposée sur l’arbre (2), et le pion glissant (31) ou la bille est disposé sur le rotor (3). Turbomachine (1, 1’) selon une des revendications précédentes caractérisée en ce que la cannelure (20) ou le chemin de roulement est disposée sur le rotor (3), et le pion glissant (31) ou la bille est disposé sur l’arbre (2). Turbomachine (1, 1’) selon une des revendications précédentes caractérisée en ce qu’il y a plusieurs cannelures (20), ou chemins de roulement, et pions glissants (31), ou de billes, et autant de pions glissants (31), ou de billes, que de cannelures (20), ou de chemins de roulement. Turbomachine (1, 1’) selon une des revendications précédentes caractérisée en ce qu’une butée (22) est disposée dans la cannelure (20) ou dans le chemin de roulement. Turbomachine (1, 1’) selon une des revendications précédentes caractérisée en ce que le rotor (3) est un rotor de compresseur (1’) ou un rotor de turbine (1). Turbomachine (1, 1’) selon une des revendications 3 à 8, caractérisée en ce que les cannelures (20) ne couvrent qu’une partie de la périphérie de l’arbre (2) ou du rotor (3). Turbomachine (1, 1’) selon une des revendications précédentes caractérisée en ce qu’au moins un premier pion (31) et une première cannelure (200) sont disposés de façon symétrique par rapport à l’axe X à un deuxième pion (31) et une deuxième cannelure (201). Turbomachine (1, 1’) selon une des revendications précédentes caractérisée en ce que le rotor (3) comprend plusieurs rangées d’aubes (30).