FR3148261A1 - Démarreur à turbine à air - Google Patents

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FR3148261A1
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turbine starter
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FR2403774A
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Shiloh Montegomery Meyers
Steven Ryan Kerley
Thomas V Ng
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Unison Industries LLC
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Abstract

L’invention concerne un démarreur à turbine à air (10) pour le démarrage d’un moteur (14), qui comporte un carter de démarreur (30) définissant une entrée (32), une sortie (34) et un passage d’écoulement (36) s’étendant entre l’entrée (32) et la sortie (34). Le démarreur à turbine à air (10) peut comporter un organe turbine rotatif (80) ayant un moyeu central (82) définissant une plateforme (84) et au moins une pale (90) s’étendant radialement à partir de la plateforme (84). Le démarreur à turbine à air (10) peut également comporter un dispositif de coupure de pale (100). Figure pour l’abrégé : Fig 2

Description

DÉMARREUR À TURBINE À AIR
La divulgation concerne de manière générale un démarreur pour un moteur à combustion, et plus spécifiquement un démarreur à turbine à air ayant un élément turbine rotatif.
CONTEXTE
Un moteur à combustion peut être mis en prise en fonctionnement régulier avec un démarreur à turbine à air (ATS). L’ATS peut être utilisé pour initier la rotation du moteur à combustion. L’ATS est souvent monté près du moteur et peut être couplé à une source de fluide, telle que de l’air comprimé, qui heurte un rotor de turbine dans l’ATS en le mettant en rotation à une vitesse relativement élevée. L’ATS comporte un arbre de sortie qui est couplé au rotor de turbine, typiquement par le biais d’une transmission de réduction. L’arbre de sortie peut être entraîné pour amener un élément rotatif de la combustion (par exemple un vilebrequin) à commencer à se mettre en rotation. Une telle rotation par l’ATS se poursuit jusqu’à ce que le moteur à combustion atteigne une vitesse de rotation auto-entretenue.
L'invention concerne un démarreur à turbine à air pour le démarrage d’un moteur, comprenant :
- un carter de démarreur définissant une entrée, une sortie et un passage d’écoulement s’étendant entre l’entrée et la sortie ;
- un organe turbine rotatif situé au sein du carter de démarreur et comprenant un moyeu central définissant une plateforme, et au moins une pale s’étendant radialement à partir de la plateforme entre un pied et un bout, le pied et le bout définissant une zone balayée annulaire pendant un fonctionnement de rotation normal ; et
- un dispositif de coupure de pale situé en aval de l’organe turbine et en alignement avec la zone balayée annulaire.
Optionnellement, le dispositif de coupure de pale comprend un disque ayant un bord de coupure s’étendant au moins axialement.
Optionnellement, le bord de coupure est radialement positionné plus près du pied que du bout.
Optionnellement, le démarreur à turbine à air comprend en outre une longueur de pale définie entre le pied et le bout, le bord de coupure étant radialement espacé du pied pour définir une distance de coupure de 0 à 40 % de la longueur de pale.
Optionnellement, l’au moins une pale définit une longueur de corde axiale et le dispositif de coupure de pale est configuré pour former une coupure dans l’au moins une pale définissant une profondeur de coupure pour le retrait de l’au moins une pale, dans lequel la profondeur de coupure est une valeur non nulle entre 0 et 40 % de la longueur de corde axiale.
Optionnellement, l’au moins une pale définit une longueur de corde axiale et le dispositif de coupure de pale définit une longueur de dispositif de coupure inférieure à la longueur de corde axiale.
Optionnellement, le dispositif de coupure de pale définit au moins partiellement le passage d’écoulement.
Optionnellement, le démarreur à turbine à air comprend en outre un joint d’étanchéité situé de manière adjacente à l’organe turbine et couplé au dispositif de coupure de pale.
Optionnellement, le démarreur à turbine à air comprend en outre une bague de confinement positionnée radialement vers l’extérieur de l’organe turbine.
La présente invention concerne également un démarreur à turbine à air pour le démarrage d’un moteur, comprenant :
- un carter de démarreur définissant une entrée, une sortie et un passage d’écoulement s’étendant entre l’entrée et la sortie ;
- un organe turbine rotatif comprenant un moyeu central définissant une plateforme, et au moins une pale s’étendant radialement à partir de la plateforme entre un pied et un bout ; et
- un dispositif de coupure de pale faisant face à la pale entre le pied et le bout et situé à proximité de la plateforme.
Optionnellement, le dispositif de coupure de pale comprend un disque ayant un bord de coupure s’étendant axialement.
Optionnellement, le démarreur à turbine à air comprend en outre une longueur de pale définie entre le pied et le bout, le bord de coupure étant radialement espacé du pied entre 0 et 40 % de la longueur de pale.
Optionnellement, la pale définit une longueur de corde axiale et le dispositif de coupure de pale définit une longueur de dispositif de coupure inférieure à la longueur de corde axiale.
Optionnellement, la pale définit une longueur de corde axiale et le dispositif de coupure de pale est configuré pour former une coupure dans la pale définissant une profondeur de coupure pour le retrait de l’au moins une pale, dans lequel la profondeur de coupure est une valeur non nulle entre 0 et 40 % de la longueur de corde axiale.
Optionnellement, le démarreur à turbine à air comprend en outre une bague de confinement positionnée radialement vers l’extérieur de l’organe turbine.
La présente invention concerne également un démarreur à turbine à air pour le démarrage d’un moteur, comprenant :
- un carter de démarreur définissant une entrée, une sortie et un passage d’écoulement s’étendant entre l’entrée et la sortie ;
- un organe turbine rotatif comprenant un moyeu central définissant une plateforme, et au moins une pale s’étendant radialement à partir de la plateforme entre un pied et un bout, et s’étendant également entre un bord d’attaque et un bord de fuite pour définir une longueur de corde axiale ; et
- un dispositif de coupure de pale faisant face à l’au moins une pale à proximité du pied, dans lequel le dispositif de coupure de pale définit une longueur axiale de dispositif de coupure inférieure à la longueur de corde axiale.
Optionnellement, le dispositif de coupure de pale définit au moins partiellement le passage d’écoulement.
Optionnellement, le dispositif de coupure de pale s’étend radialement dans le passage d’écoulement.
Optionnellement, le dispositif de coupure de pale comprend un disque ayant un bord de coupure s’étendant axialement.
Optionnellement, le dispositif de coupure de pale comprend l’un parmi un bord de coupure continu, un bord de coupure non continu ou un ensemble de bords de coupure discrets.
Optionnellement, le dispositif de coupure de pale est configuré pour former une coupure dans la pale définissant une profondeur de coupure pour le retrait de l’au moins une pale, dans lequel la profondeur de coupure est une valeur non nulle entre 0 et 40 % de la longueur de corde axiale.
Optionnellement, le démarreur à turbine à air comprend en outre une bague de confinement positionnée radialement vers l’extérieur de l’organe turbine.
Optionnellement, le démarreur à turbine à air comprend en outre un joint d’étanchéité rendant au moins partiellement étanche aux fluides le passage d’écoulement.
Optionnellement, le dispositif de coupure de pale est monté entre le joint d’étanchéité et le carter de démarreur.
Optionnellement, le joint d’étanchéité comprend un matériau frangible configuré pour se fragmenter sous une force appliquée axialement par l’organe turbine.
Optionnellement, le joint d’étanchéité comprend au moins l’un parmi l’acier, l’aluminium, le nickel ou un alliage de nickel, le carbone, le graphite, un matériau polymère ou un matériau composite.
Optionnellement, le dispositif de coupure de pale comprend au moins l’un parmi l’acier, la céramique, le diamant ou le carbure de silicium.
Optionnellement, le dispositif de coupure de pale comprend un premier matériau et l’au moins une pale comprend un deuxième matériau, le premier matériau ayant au moins l’une parmi une plus grande dureté ou une plus grande capacité en température comparativement au deuxième matériau.
Une divulgation complète et habilitante de la présente divulgation, dont le meilleur mode de celle-ci, s’adressant à l’homme du métier, est énoncée dans le fascicule, qui fait référence aux Figures annexées, dans lesquelles :
est une vue en perspective d’un moteur à turbine conformément à divers aspects décrits dans la présente.
est une vue en section transversale d’un démarreur à turbine à air qui peut être utilisé avec le moteur à turbine de la conformément à divers aspects décrits dans la présente.
est une vue en perspective schématique illustrant un organe turbine et un dispositif de coupure de pale dans le démarreur à turbine à air de la conformément à divers aspects décrits dans la présente.
est une vue en section transversale partiellement en éclaté d’une partie du démarreur à turbine à air de la .
est une vue en section transversale illustrant le démarreur à turbine à air de la pendant un exemple de fonctionnement.
 DESCRIPTION DÉTAILLÉE
Les aspects de la présente divulgation concernent au sens large un démarreur à turbine à air pour le démarrage d’un moteur. À des fins d’illustration, un environnement exemplaire au sein duquel le démarreur à turbine à air peut être utilisé sera décrit sous la forme d’un moteur à turbine. Un tel moteur à turbine peut se présenter sous la forme d’un moteur à turbine à gaz, d’un turbomoteur ou d’un turboréacteur à double flux, dans des exemples non limitatifs. Il sera entendu, cependant, que la divulgation ne s’y limite pas et peut posséder une applicabilité générale pour toute mise en œuvre d’un mécanisme d’entraînement qui génère un mouvement de rotation au niveau d’une sortie d’entraînement et fournit le mouvement de rotation à une autre pièce d’équipement rotatif. Par exemple, la divulgation peut posséder une applicabilité pour un démarreur pour d’autres moteurs ou véhicules, et peut être utilisée pour fournir des avantages dans des applications industrielles, commerciales et résidentielles.
Les démarreurs à turbine à air (ATS) peuvent généralement comporter un rotor ayant un organe turbine rotatif ayant un moyeu central et une pluralité de profils aérodynamiques s’étendant à partir de celui-ci. Pendant un fonctionnement normal ou standard du démarreur à turbine à air, le rotor est entraîné par un écoulement de fluide à travers l’organe turbine et est en rotation sur place avec une translation axiale, un vacillement, ou similaire, minimal(e) ou nul(le). Dans certaines circonstances, dont, mais sans s’y limiter, des déséquilibres de rotation dans l’organe turbine, des changements dans un ensemble palier portant le rotor, ou certaines charges appliquées sur l’ATS, le rotor peut subir des changements de position additionnels, dont un mouvement de translation ou un déséquilibre de rotation, au sein de l’ATS. De tels changements de position peuvent mener à un contact ou des impacts indésirable(s) au sein de l’ATS, tel(s) qu’entre l’organe turbine et des parties intérieures de l’ATS telles que le carter de démarreur, des conduits d’écoulement d’air, ou similaires.
Des éléments de coupure peuvent être prévus de manière adjacente à l’organe turbine pour le dégagement de parties de celui-ci lorsqu’un changement de position de l’organe turbine dépasse un seuil prédéterminé. Les éléments de coupure classiques sont typiquement orientés pour faire face au moyeu central à une position radialement espacée du centre de rotation du moyeu. La rotation du moyeu contre l’élément de coupure peut amener une partie radialement externe du moyeu central, conjointement avec les profils aérodynamiques, à être dégagée de l’organe turbine dans le passage d’écoulement. Dans certains exemples, un dispositif de confinement peut être prévu pour intercepter des fragments dégagés du moyeu central et des profils aérodynamiques.
Le moyeu central peut posséder une plus grande masse par rapport à la pluralité de profils aérodynamiques. Dans un tel cas, l’utilisation d’éléments de coupure typiques décrits ci-dessus peut dégager une masse de composant significative et/ou un grand nombre de fragments dans le passage d’écoulement. De plus, des changements de position de rotor précédant l’opération de coupure peuvent amener des fragments à pénétrer dans le passage d’écoulement avec des tailles ou des trajectoires de fragment variables ou imprévisibles. Dans certaines mises en œuvre où un dispositif de confinement est prévu, la conception d’un tel dispositif de confinement nécessiterait d’être suffisamment robuste pour capturer un grand nombre de fragments ayant collectivement une grande masse et une dispersion large ou variable.
Des aspects de la divulgation fournissent un dispositif de coupure de pale qui peut être utilisé pour libérer des parties de profil aérodynamique d’un organe turbine sans dégager le moyeu. Des aspects de la divulgation fournissent de plus des fragments libérés ayant des énergies plus faibles, des trajectoires plus prévisibles, et une masse globale réduite pour un confinement comparativement aux ensembles de coupure classiques.
Tel qu’utilisé dans la présente, le terme « amont » fait référence à une direction qui est opposée à la direction d’écoulement de fluide, et le terme « aval » fait référence à une direction qui est dans la même direction que l’écoulement de fluide. Le terme « avant » ou « vers l’avant » signifie devant quelque chose et « arrière » ou « vers l’arrière » signifie derrière quelque chose. Par exemple, lorsqu’ils sont utilisés en termes d’écoulement de fluide, avant/vers l’avant peut signifier en amont et arrière/vers l’arrière peut signifier en aval.
De plus, tel qu’utilisé dans la présente, les termes « radial » ou « radialement » font référence à une direction allant vers un centre commun ou en éloignement par rapport à celui-ci. Par exemple, le terme « radial » peut faire référence à une direction s’étendant perpendiculairement à un axe longitudinal central d’un composant. En outre, tel qu’utilisé dans la présente, le terme « ensemble » ou un « ensemble » d’éléments peut être tout nombre d’éléments, dont un seul.
Toutes les références directionnelles (p. ex., radial, axial, proximal, distal, supérieur, inférieur, vers le haut, vers le bas, gauche, droite, latéral, avant, arrière, dessus, fond, au-dessus, au-dessous, vertical, horizontal, horaire, antihoraire, amont, aval, vers l’avant, vers l’arrière, etc.) sont utilisées uniquement à des fins d’identification pour aider à la compréhension par le lecteur de la présente divulgation, et ne doivent pas être interprétées comme se limitant à un mode de réalisation, en particulier quant à la position, l’orientation ou l’utilisation d’aspects de la divulgation décrits dans la présente. Les références de liaison (p. ex., attaché, couplé, relié et joint) doivent être interprétées au sens large et peuvent inclure des membres intermédiaires entre une collection d’éléments et un mouvement relatif entre éléments, sauf indication contraire. À ce titre, les références de liaison n’impliquent pas nécessairement que deux éléments soient directement reliés et en relation fixe l’un à l’autre. Les dessins à titre d’exemple sont fournis à des fins d’illustration uniquement et les dimensions, les positions, l’ordre et les tailles relatives reflétés dans les dessins annexés à la présente peuvent varier.
En se référant à la , un démarreur à turbine à air 10 (appelé dans la présente « ATS 10 ») et une transmission d’accessoire 12 (appelée dans la présente « AGB 12 ») sont schématiquement illustrés. L’ATS 10 peut être couplé à l’AGB 12. Dans la mise en œuvre exemplaire représentée, l’ATS 10 et l’AGB 12 peuvent chacun être monté sur un moteur à turbine 14, tel qu’un moteur à turbine à gaz. Un tel ensemble est communément appelé démarreur/transmission de générateur unifiés (ISGB). Il est entendu que des aspects de l’invention ne sont pas limités aux ISGB et peuvent posséder une applicabilité générale pour des démarreurs de turbines à air isolés.
Le moteur à turbine 14 définit un axe de moteur 15 et comporte une admission d’air ayant une soufflante 16 qui alimente en air une région de compression à haute pression 18. L’admission d’air ayant la soufflante 16 et la région de compression à haute pression 18 sont collectivement connues comme étant la « section froide » du moteur à turbine 14. La section froide est située en amont de la combustion.
Pendant le fonctionnement du moteur à turbine 14, la région de compression à haute pression 18 fournit à une chambre de combustion 20 de l’air à haute pression. Dans la chambre de combustion 20, l’air à haute pression est mélangé avec du carburant et brûlé. Des gaz de combustion chauds et sous pression traversent une région de turbine à haute pression 22 et une région de turbine à basse pression 24 avant de s’échapper du moteur à turbine 14. Lorsque les gaz de combustion traversent la région de turbine à haute pression 22 et la région de turbine à basse pression 24, de l’énergie cinétique est extraite de l’écoulement des gaz traversant le moteur à turbine 14. Un arbre peut relier la région de turbine à haute pression 22 à la région de compression à haute pression 18 pour alimenter en énergie le mécanisme de compression. La turbine à basse pression peut être couplée à la soufflante 16 de l’admission d’air au moyen d’un arbre pour alimenter en énergie la soufflante 16.
L’AGB 12 peut être couplée au moteur à turbine 14 au niveau soit de la région de turbine à haute pression 22, soit de la région de turbine à basse pression 24, au moyen d’une prise de force mécanique 26. La prise de force mécanique 26 peut contenir de multiples pignons et composants pour le couplage mécanique de l’AGB 12 au moteur à turbine 14. Sous des conditions de fonctionnement normal, la prise de force 26 transmet de l’énergie du moteur à turbine 14 à l’AGB 12 pour alimenter en énergie des accessoires de l’aéronef, tels que des pompes à carburant, des systèmes électriques, ou des commandes d’environnement de cabine, dans des exemples non limitatifs.
L’ATS 10 peut être monté sur l’extérieur de la région d’admission d’air contenant la soufflante 16, ou sur le noyau près de la région de compression à haute pression 18, dans des exemples non limitatifs.
En se référant maintenant à la , l’ATS 10 est représenté en section transversale. L’ATS 10 comporte un carter de démarreur 30 définissant une direction axialeAcomme représenté. Dans certains exemples, la direction axialeApeut être parallèle à l’axe de moteur 15 ( ). Le carter de démarreur 30 définit également une entrée 32, une sortie 34 et un passage d’écoulement 36 s’étendant entre l’entrée 32 et la sortie 34 pour la communication d’un écoulement de fluide à travers celui-ci. Un tel fluide peut être un gaz ou un liquide, et peut également comporter un fluide sous pression tel que de l’air comprimé, dans des exemples non limitatifs. De plus, un conduit annulaire 38 peut être prévu dans le carter de démarreur 30 et peut au moins partiellement définir le passage d’écoulement 36. Dans un exemple non limitatif, le conduit 38 peut former la sortie 34.
Un organe turbine 80 rotatif est situé au sein du carter de démarreur 30. L’organe turbine 80 comporte un moyeu central 82 et une ou plusieurs pales 90 s’étendant radialement à partir de celui-ci. Les pales 90 sont disposées au sein du passage d’écoulement 36 pour l’extraction, de manière rotative, d’énergie mécanique à partir de l’écoulement de gaz le long du passage d’écoulement 36. En outre, alors qu’un unique organe turbine 80 est illustré, il est envisagé que de multiples organes turbine 80 puissent être fournis pour former de multiples étages de turbine au sein de l’ATS 10.
Un dispositif de coupure de pale 100 peut être prévu dans l’ATS 10. Le dispositif de coupure de pale 100 peut faire face à l’organe turbine 80 comme représenté. Le dispositif de coupure de pale 100 peut être configuré pour être en contact avec l’organe turbine 80 et dégager des parties de celui-ci, telles que les pales 90, pendant certaines conditions de fonctionnement de l’ATS 10. Un système de confinement 70 peut également être prévu, encerclant l’organe turbine 80. Le système de confinement 70 peut être configuré pour capturer des parties dégagées de l’organe turbine 80, ce qui empêche des fragments de sortir de l’ATS 10 avec une énergie élevée.
De plus, au moins un joint d’étanchéité 40 peut être situé au sein du carter de démarreur 30. Le joint d’étanchéité 40 peut être monté sur le carter de démarreur 30, même si cela ne doit pas nécessairement être le cas. Le joint d’étanchéité 40 peut au moins partiellement rendre étanche aux fluides le passage d’écoulement 36 par rapport à d’autres parties du démarreur à turbine à air 10.
Une transmission 42 est illustrée comme étant montée au sein du carter de démarreur 30. Un train d’engrenages 44 peut être disposé au sein de la transmission 42 et couplé en entraînement à l’organe turbine 80. Dans l’exemple illustré, le train d’engrenages 44 comporte une couronne 46. Il sera entendu que le train d’engrenages 44 peut comporter tout ensemble d’engrenages approprié dont, mais sans s’y limiter, un ensemble d’engrenages planétaires, un ensemble d’engrenages à pignons, ou similaires. Un arbre de turbine 50 couple le train d’engrenages 44 à l’organe turbine 80, permettant le transfert d’énergie mécanique au train d’engrenages 44. L’arbre de turbine 50 est couplé au train d’engrenages 44 et porté en rotation par une paire de roulements de turbine 52. Le train d’engrenages 44 est porté par une paire de roulements porteurs 53.
Un intérieur de transmission 54 peut être prévu pour contenir un lubrifiant, dont, mais sans s’y limiter, de la graisse ou de l’huile. L’intérieur de transmission 54 peut fournir une lubrification et un refroidissement à des pièces mécaniques contenues en son sein, telles que le train d’engrenages 44, la couronne 46, les roulements de turbine 52, les roulements porteurs 53, ou similaires.
Une ouverture 56 est prévue dans la transmission 42. L’arbre de turbine 50 peut s’étendre à travers l’ouverture 56 et s’engrener avec un arbre porteur 58 sur lequel un embrayage 60 est monté et porté par une paire de roulements espacés 62. Un arbre d’entraînement 64 s’étend à partir de la transmission 42 et est couplé à l’embrayage 60 et porté en outre par la paire de roulements espacés 62. L’arbre d’entraînement 64 est entraîné par le train d’engrenages 44 et couplé à l’AGB 12 ( ), de sorte que pendant une opération de démarrage, l’arbre d’entraînement 64 fournisse un mouvement d’entraînement à l’AGB 12.
L’embrayage 60 peut être tout type de partie d’interface d’arbre qui forme un unique arbre rotatif 66 comprenant l’arbre de turbine 50, l’arbre porteur 58 et l’arbre d’entraînement 64. La partie d’interface d’arbre peut être par tout procédé connu de couplage dont, mais sans s’y limiter, des engrenages, des cannelures, un mécanisme d’embrayage, ou similaires, ou des combinaisons de ceux-ci.
L’ATS 10 peut être formé par tous matériaux et procédés, dont, mais sans s’y limiter, une coulée sous pression de métaux légers et à haute résistance tels que l’aluminium, l’acier inoxydable, le fer, le titane, ou similaires. Le carter de démarreur 30 et la transmission 42 peuvent être formés avec une épaisseur suffisante pour fournir une rigidité mécanique adéquate sans ajouter de poids inutile à l’ATS 10. En outre, l’arbre rotatif 66 peut être construit par tous matériaux et procédés, dont, mais sans s’y limiter, une extrusion ou un usinage d’alliages métalliques à haute résistance tels que ceux contenant de l’aluminium, du fer, du nickel, du chrome, du titane, du tungstène, du vanadium ou du molybdène. Le diamètre de l’arbre de turbine 50, de l’arbre porteur 58 et de l’arbre d’entraînement 64 peut être fixe ou varier le long de la longueur de l’arbre rotatif 66. Dans des exemples non limitatifs, le diamètre de l’arbre de turbine 50 peut varier pour s’adapter à différentes tailles de composants couplés à celui-ci, ou pour s’adapter à un espacement rotor-stator variable.
Pendant une opération de démarrage, un fluide, tel que de l’air, alimenté le long du passage d’écoulement 36, met en rotation l’organe turbine 80 pour l’entraînement de la rotation de l’arbre rotatif 66. Dans certains exemples non limitatifs, le fluide peut être de l’air alimenté à partir d’une remorque à réserve d’air au sol, d’une unité d’alimentation auxiliaire ou d’un démarrage par prélèvement croisé à partir d’un moteur déjà en fonctionnement. De cette manière, l’ATS 10 peut former un mécanisme d’entraînement pour le démarrage du moteur à turbine 14 ( ) via une rotation de l’arbre rotatif 66.
De plus, dans certaines conditions pendant une opération de démarrage, des parties de l’ATS 10 peuvent subir un changement de position dont, mais sans s’y limiter, un mouvement de translation tel qu’une translation axiale ou une translation radiale, un mouvement de rotation composé tel qu’un décalage pour une rotation dans un plan non radial, ou des déséquilibres de rotation tels qu’un vacillement ou une oscillation.
Dans certains cas, l’un quelconque ou tous parmi l’organe turbine 80, l’arbre de turbine 50, l’arbre porteur 58, l’arbre d’entraînement 64 ou l’arbre rotatif 66, dans des exemples non limitatifs, peut ou peuvent subir un changement de position. Dans un exemple, l’arbre de turbine 50 peut subir un changement de position par décalage ou translation, de manière axiale, vers l’avant ou vers l’arrière pendant la rotation. Dans un autre exemple, l’arbre de turbine 50 peut subir un changement de position par décalage dans une nouvelle orientation au sein de l’ATS 10 de sorte que l’organe turbine 80 soit en rotation dans un nouveau plan de rotation. Dans encore un autre exemple, l’organe turbine 80 peut subir un changement de position par un déséquilibre de rotation provoquant un vacillement ou des oscillations. Quel que soit le type de changement de position, il est envisagé que de tels changements de position puissent amener l’organe turbine 80 rotatif à venir en contact avec des parties intérieures de l’ATS 10.
En passant à la , le dispositif de coupure de pale 100, l’organe turbine 80 et le système de confinement 70 sont représentés isolément. Le moyeu central 82 peut définir une plateforme 84. Chaque pale 90 s’étend radialement à partir de la plateforme 84 entre un pied 92 et un bout 93. De plus, dans l’exemple non limitatif représenté, le système de confinement 70 comporte une bague de confinement 72 positionnée radialement vers l’extérieur de l’organe turbine 80 et espacée des bouts 93.
Le dispositif de coupure de pale 100 est schématiquement illustré sur la , et il est entendu que le dispositif de coupure de pale 100 peut posséder toute forme appropriée. Dans l’exemple non limitatif représenté, le dispositif de coupure de pale 100 peut comporter un disque 110 ayant un bord de coupure 112 s’étendant axialement. Le dispositif de coupure de pale 100 est illustré avec un bord de coupure 112 continu dans l’exemple non limitatif représenté, même si cela ne doit pas nécessairement être le cas. Le dispositif de coupure de pale 100 peut également comporter un disque continu, ou un ensemble de segments agencés de manière circonférentielle avec des parties de dispositif de coupure, ou un bord de coupure 112 non continu, ou un ensemble de bords de coupure 112 discrets, ou similaires, dans des exemples non limitatifs. En outre, alors que le bord de coupure 112 est illustré comme s’étendant parallèlement à la direction axialeA, il est envisagé que le bord de coupure 112 puisse s’étendre selon un quelconque angle, dont au moins partiellement radialement dans un exemple non limitatif. Dans encore un autre exemple, le dispositif de coupure de pale 100 peut comporter de multiples bords de coupure 112 discrets qui peuvent être alignés avec la direction axialeA, ou formant un angle aigu avec la direction axialeA, dans des exemples non limitatifs.
Le dispositif de coupure de pale 100 peut comporter un matériau durci par rapport à l’un ou les deux parmi le moyeu central 82 ou les pales 90. Tel qu’utilisé dans la présente, un « matériau durci » fera référence à un matériau ayant une dureté de matériau, une limite d’élasticité, une résistance à la traction vraie, un module d’élasticité, une résistance apparente, une résistance au cisaillement, une dureté sur l’échelle de Mohs, ou similaires, plus élevés, lorsqu’il est comparé à un deuxième matériau. Par exemple, le dispositif de coupure de pale 100 peut posséder une dureté de matériau plus élevée comparativement à celle des pales 90. Dans une mise en œuvre exemplaire, les pales 90 peuvent comporter de l’acier et le dispositif de coupure de pale 100 peut comporter une pointe en diamant.
Dans certaines mises en œuvre, le dispositif de coupure de pale 100 peut également comporter un matériau ayant une capacité en température élevée. Tel qu’utilisé dans la présente, « capacité en température » fera référence à la température de fonctionnement la plus élevée envisagée pour une utilisation pour un matériau donné, dans lequel la soumission du matériau à des températures supérieures à sa capacité en température peut provoquer des effets tels qu’une oxydation, une fatigue, une déformation plastique, ou une fusion du matériau. Par exemple, le dispositif de coupure de pale 100 peut comporter de l’acier, de la céramique, du carbure de silicium, dont de l’acier revêtu avec une couche externe ou une pointe en céramique, ou un revêtement en carbure de silicium, ou un revêtement par pulvérisation à froid de matériau dur, ou une couche externe électrodéposée, ou similaires.
En se référant maintenant à la , une vue partiellement en éclaté d’une partie de l’ATS 10 illustre l’organe turbine 80 agencé avec le dispositif de coupure de pale 100 et une partie du carter de démarreur 30. Le système de confinement 70 ( ) est omis à des fins de clarté visuelle.
L’organe turbine 80 est représenté avec le moyeu central 82 et les pales 90. Le moyeu central 82 est rotatif autour d’un axe de rotationRcomme représenté. Dans l’exemple illustré, l’axe de rotationRest aligné avec la direction axialeAmême si cela ne doit pas nécessairement être le cas. L’organe turbine 80 définit également une longueur d’organe turbine 81, de l’axe de rotationRaux bouts 93 des pales 90.
Comme décrit ci-dessus, les pales 90 s’étendent radialement entre des pieds 92 et des bouts 93 correspondants. Une longueur de pale 91 est définie dans le sens de l’envergure pour chaque pale 90 entre le pied 92 et le bout 93 comme représenté. De plus, chaque pale 90 s’étend axialement entre un bord d’attaque 95 et un bord de fuite 96. Une longueur de corde axiale 97 est également définie comme une distance axiale entre le bord d’attaque 95 et le bord de fuite 96.
Le dispositif de coupure de pale 100 peut être situé en aval de l’organe turbine 80. Le dispositif de coupure de pale 100 définit une longueur de dispositif de coupure 105 comme représenté. Dans l’exemple illustré, la longueur de dispositif de coupure 105 est inférieure à la longueur de corde axiale 97. Il est entendu que la longueur de dispositif de coupure 105 peut être supérieure ou égale à la longueur de corde axiale 97 dans certaines mises en œuvre.
Pendant un fonctionnement normal ou standard de l’ATS 10, et avec une rotation normale ou standard de l’organe turbine 80, le pied 92 et le bout 93 de chaque pale 90 balayent une zone balayée annulaire 120. Il est entendu que la zone balayée annulaire 120 représente une région spatiale au sein de laquelle les pales 90 sont normalement positionnées pendant une rotation standard de l’organe turbine 80, ce par quoi tous changements de position de l’organe turbine 80 sont au sein de la tolérance de fonctionnement de l’ATS 10.
Le dispositif de coupure de pale 100 est agencé de sorte que le bord de coupure 112 soit en alignement avec la zone balayée annulaire 120. Dans un exemple, le bord de coupure 112 peut être radialement positionné plus près du pied 92 que du bout 93 de chaque pale 90. Par exemple, le bord de coupure 112 peut être radialement espacé du pied 92 pour définir une distance de coupure 108 par rapport au pied 92. Il est envisagé que la distance de coupure 108 puisse être une quantité prédéterminée basée sur la longueur de pale 91, dont entre 0 et 60 % de la longueur de pale 91, ou entre 0 et 50 % de la longueur de pale 91, ou entre 0 et 40 % de la longueur de pale 91, ou entre 0 et 30 % de la longueur de pale 91, dans des exemples non limitatifs. De cette manière, le dispositif de coupure de pale 100 peut être situé à proximité de la plateforme 84.
De plus, le joint d’étanchéité 40 peut être positionné de manière adjacente à l’organe turbine 80 comme représenté. Dans l’exemple illustré, le joint d’étanchéité 40 comporte un manchon de palier, même si cela ne doit pas nécessairement être le cas. Le joint d’étanchéité 40 peut être formé de tout matériau approprié dont, mais sans s’y limiter, l’acier, l’aluminium, le nickel ou un alliage de nickel, le carbone, le graphite, un matériau polymère, un matériau composite, ou similaires, ou des combinaisons de ceux-ci. De plus, quel que soit le matériau spécifique sélectionné, il est également envisagé que le joint d’étanchéité 40 puisse être cassable ou écrasable sous une force axiale prédéterminée. De plus, dans la mise en œuvre exemplaire représentée, le dispositif de coupure de pale 100 est configuré pour être monté entre le carter de démarreur 30 et le joint d’étanchéité 40, par exemple radialement entre le carter de démarreur 30 et le joint d’étanchéité 40, même si cela ne doit pas nécessairement être le cas. Le dispositif de coupure de pale 100 peut être couplé à, monté sur, ou similaires, toute partie appropriée de l’ATS 10.
Le conduit 38 est positionné en aval du dispositif de coupure de pale 100 comme représenté. Il est en outre envisagé que le dispositif de coupure de pale 100 puisse au moins partiellement définir le passage d’écoulement 36 en amont du conduit 38. Dans l’exemple non limitatif représenté, le dispositif de coupure de pale 100 est positionné pour s’étendre dans le passage d’écoulement 36, ce qui rétrécit le passage d’écoulement 36 en amont du conduit 38, même si cela ne doit pas nécessairement être le cas. Le dispositif de coupure de pale 100 peut également être en alignement avec le conduit 38 pour former un passage d’écoulement 36 à largeur constante dans certaines mises en œuvre.
En outre, le dispositif de coupure de pale 100 peut être situé à proximité de la plateforme 84. En particulier, une distance d’espacement fonctionnel 115 est définie entre le dispositif de coupure de pale 100 et l’organe turbine 80 pendant une rotation standard de l’organe turbine 80. Plus spécifiquement, la distance d’espacement fonctionnel 115 peut être définie entre le bord de coupure 112 et les bords de fuite 96 des pales 90 pendant une rotation équilibrée. Il est entendu que, dans la vue partiellement en éclaté de la , la distance d’espacement fonctionnel 115 est visuellement agrandie comparativement à lorsque l’ATS 10 est assemblé (p. ex., comme représente sur la ).
Pendant un fonctionnement normal ou standard de l’ATS 10, le dispositif de coupure de pale 100 et l’organe turbine 80 ne sont pas en contact l’un avec l’autre et la distance d’espacement fonctionnel 115 correspondante est une valeur supérieure à 0 cm. Par exemple, dans un exemple non limitatif dans lequel l’organe turbine 80 est parfaitement équilibré, l’organe turbine 80 ne subit aucun mouvement de translation (par exemple de translation axiale) pendant la rotation. Dans un autre exemple où un petit déséquilibre de rotation est présent dans l’organe turbine 80, l’organe turbine 80 est déplacé en translation d’une petite quantité, telle qu’entre 0 et 30 cm dans un exemple non limitatif. Il est entendu que sous un fonctionnement normal ou standard, la distance d’espacement fonctionnel 115 définit une valeur standard représentant un seuil ou une tolérance pour des déséquilibres de rotation. Par exemple, la distance d’espacement fonctionnel 115 peut définir une valeur standard entre 0,1 et 10 cm, dont entre 0,1 et 5 cm, ou entre 0,2 et 4 cm, ou entre 0,2 et 3 cm, ou entre 0,5 et 3 cm, dans certains exemples non limitatifs.
En passant à la , une partie de l’ATS 10 est illustrée avec le système de confinement 70, l’organe turbine 80 et le dispositif de coupure de pale 100 assemblés comme représenté. La bague de confinement 72 encercle l’organe turbine 80.
Dans l’exemple illustré, l’organe turbine 80 est représenté avec un changement de position comparativement à un fonctionnement normal ou standard. Un tel changement de position peut découler d’un déséquilibre de rotation de l’organe turbine 80, ou d’une translation de l’arbre de turbine 50, ou similaires, dans des exemples non limitatifs. Dans l’exemple représenté, le changement de position de l’organe turbine 80 comporte un décalage axial du moyeu central 82 de sorte que la distance d’espacement fonctionnel 115 ( ) soit réduite par rapport à sa valeur standard.
Lorsque la distance d’espacement fonctionnel 115 ( ) est réduite à 0 cm, le dispositif de coupure de pale 100 est en contact avec les pales 90 en rotation et retire du matériau de pale. Dans un exemple non limitatif de fonctionnement, l’organe turbine 80 peut exercer au moins une force axiale sur le joint d’étanchéité 40 et provoquer une fragmentation du joint d’étanchéité 40, fournissant un contact entre les pales 90 et le dispositif de coupure de pale 100. Dans un autre exemple non limitatif de fonctionnement, le joint d’étanchéité 40 peut rester en place sans fragmentation pendant un contact entre les pales 90 et le dispositif de coupure de pale 100.
Une coupure 94 exemplaire est illustrée, s’étendant dans la pale 90 en conséquence d’un contact avec le dispositif de coupure de pale 100. Il est entendu que la coupure 94 s’étend au moins le long de la longueur de corde axiale 97 ( ). La coupure 94 peut définir une profondeur de coupure 94D dans la pale 90. Dans l’exemple non limitatif représenté, la profondeur de coupure 94D est définie axialement à partir du bord de fuite 96. Il est entendu que la profondeur de coupure 94D peut être définie par rapport à toute surface de la pale 90 sur laquelle le dispositif de coupure de pale 100 est en contact.
Avec la rotation continue de l’organe turbine 80 et la progression de la coupure 94, une séparation 98 telle qu’une fissuration, un morcellement, ou similaires, peut spontanément se former le long de la pale 90 en raison de contraintes de matériau au sein de la pale 90. La séparation 98 peut se propager à travers la pale 90 de sorte que la pale 90 soit dégagée de la plateforme 84 ( ). Il est entendu que le dispositif de coupure de pale 100 ne doit pas nécessairement former la coupure 94 entièrement à travers la pale, étant donné que la séparation 98 peut se former avec la présence d’une coupure 94 partielle. Par exemple, des contraintes de matériau au niveau de pied 92 de la pale 90 peuvent contribuer à la formation spontanée de la séparation 98 lorsque la coupure 94 s’étend partiellement à travers la pale 90. Il est de plus envisagé que la profondeur de coupure 94D puisse être une quantité prédéterminée basée sur la longueur de corde axiale 97. Dans certains exemples non limitatifs, la profondeur de coupure 94D peut être une valeur non nulle entre 0 et 60 % de la longueur de corde axiale 97, ou une valeur non nulle entre 0 et 50 % de la longueur de corde axiale 97, ou une valeur non nulle entre 0 et 40 % de la longueur de corde axiale 97, ou une valeur non nulle entre 0 et 30 % de la longueur de corde axiale 97.
De cette manière, le dispositif de coupure de pale 100 peut être configuré pour libérer ou dégager une ou plusieurs pales 90 dans le cas dans lequel l’organe turbine 80 subit un changement de position, dont une condition de déséquilibre ou un mouvement de translation comme décrit ci-dessus. Avec le retrait d’une ou de plusieurs pales 90, les forces motrices sont réduites ou supprimées et la vitesse de rotation de l’organe turbine 80 est ralentie. De plus, les pales 90 ou fragments dégagé(e)s peuvent être capturé(e)s par le système de confinement 70, ce qui empêche des fragments à haute énergie de sortir du conduit 38.
Les aspects décrits de la présente divulgation peuvent fournir de multiples avantages. Un avantage est que le positionnement de dispositif de coupure radialement externe retire du matériau avec un important moment d’inertie à partir de l’organe turbine, ce qui fournit une réduction d’inertie plus efficace de l’organe turbine comparativement aux dispositifs de coupure classiques faisant face au moyeu. Un autre avantage est que moins de matériau est dégagé de l’organe turbine comparativement aux dispositifs de coupure classiques faisant face au moyeu, fournissant une réduction de la masse et de la taille des fragments libérés, ainsi que des performances améliorées par la bague de confinement en termes de réception et de capture des fragments dégagés, comparativement à des agencements de dispositif de coupure classiques. Encore un autre avantage est que l’alignement du dispositif de coupure de pale divulgué à proximité des pieds de pale retire du matériau dans des régions où une coupure partielle peut former une ligne de séparation à auto-propagation et un dégagement de pale, ce qui fournit une durée de vie de pièce de dispositif de coupure prolongée en plus d’une pièce plus compacte ou légère qui ne doit pas nécessairement être capable de s’étendre complètement à travers la pale.
Cette description écrite utilise des exemples pour divulguer des aspects du présent objet, dont le meilleur mode, et également pour permettre à tout homme du métier de mettre en pratique les aspects du présent objet, dont la fabrication et l’utilisation de tous dispositifs ou systèmes et la réalisation de tous procédés incorporés. La portée brevetable du présent objet est définie par les revendications, et peut comporter d’autres exemples qui apparaissent à l’homme du métier. De tels autres exemples sont destinés à être au sein de la portée des revendications s’ils possèdent des éléments structurels qui ne diffèrent pas du langage littéral des revendications, ou s’ils comportent des éléments structurels équivalents ayant des différences négligeables par rapport aux langages littéraux des revendications.

Claims (20)

  1. Démarreur à turbine à air (10) pour le démarrage d’un moteur (14), comprenant :
    un carter de démarreur (30) définissant une entrée (32), une sortie (34) et un passage d’écoulement (36) s’étendant entre l’entrée (32) et la sortie (34) ;
    un organe turbine rotatif (80) situé au sein du carter de démarreur (30) et comprenant un moyeu central (82) définissant une plateforme (84), et au moins une pale (90) s’étendant radialement à partir de la plateforme (84) entre un pied (92) et un bout (93), le pied (92) et le bout (93) définissant une zone balayée annulaire (120) pendant un fonctionnement de rotation normal ; et
    un dispositif de coupure de pale (100) situé en aval de l’organe turbine (80) et en alignement avec la zone balayée annulaire (120).
  2. Démarreur à turbine à air (10) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de coupure de pale (100) comprend un disque (110) ayant un bord de coupure (112) s’étendant au moins axialement.
  3. Démarreur à turbine à air (10à selon la revendication 2, dans lequel le bord de coupure (112) est radialement positionné plus près du pied (92) que du bout (93).
  4. Démarreur à turbine à air (10) selon la revendication 2, comprenant en outre une longueur de pale (91) définie entre le pied (92) et le bout (93), le bord de coupure (112) étant radialement espacé du pied (92) pour définir une distance de coupure (108) de 0 à 40 % de la longueur de pale (91).
  5. Démarreur à turbine à air (10) selon la revendication 1, dans lequel l’au moins une pale (90) définit une longueur de corde axiale (97) et le dispositif de coupure de pale (100) est configuré pour former une coupure dans l’au moins une pale (90) définissant une profondeur de coupure (94D) pour le retrait de l’au moins une pale (90), dans lequel la profondeur de coupure (94D) est une valeur non nulle entre 0 et 40 % de la longueur de corde axiale (97).
  6. Démarreur à turbine à air (10) selon la revendication 1, dans lequel l’au moins une pale (90) définit une longueur de corde axiale (97) et le dispositif de coupure de pale (100) définit une longueur de dispositif de coupure (105) inférieure à la longueur de corde axiale (97).
  7. Démarreur à turbine à air (10) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de coupure de pale (100) s’étend radialement dans le passage d’écoulement (36).
  8. Démarreur à turbine à air (10) selon la revendication 1, comprenant en outre un joint d’étanchéité (40) situé de manière adjacente à l’organe turbine (80) et couplé au dispositif de coupure de pale (100).
  9. Démarreur à turbine à air (10) selon la revendication 1, comprenant en outre une bague de confinement (72) positionnée radialement vers l’extérieur de l’organe turbine (80).
  10. Démarreur à turbine à air (10) pour le démarrage d’un moteur (14), comprenant :
    un carter de démarreur (30) définissant une entrée (32), une sortie (34) et un passage d’écoulement (36) s’étendant entre l’entrée (32) et la sortie (34) ;
    un organe turbine rotatif (80) comprenant un moyeu central (82) définissant une plateforme (84), et au moins une pale (90) s’étendant radialement à partir de la plateforme (84) entre un pied (92) et un bout (93) ; et
    un dispositif de coupure de pale (100) faisant face à la pale (90) entre le pied (92) et le bout (93) et situé à proximité de la plateforme (84).
  11. Démarreur à turbine à air (10) selon la revendication 10, dans lequel le dispositif de coupure de pale (100) comprend un disque (110) ayant un bord de coupure (112) s’étendant axialement.
  12. Démarreur à turbine à air (10) selon la revendication 11, comprenant en outre une longueur de pale (91) définie entre le pied (92) et le bout (93), le bord de coupure (112) étant radialement espacé du pied (92) entre 0 et 40 % de la longueur de pale (91).
  13. Démarreur à turbine à air (10) selon la revendication 10, dans lequel la pale (90) définit une longueur de corde axiale (97) et le dispositif de coupure de pale (100) définit une longueur de dispositif de coupure (105) inférieure à la longueur de corde axiale (97).
  14. Démarreur à turbine à air (10) selon la revendication 10, dans lequel la pale (90) définit une longueur de corde axiale (97) et le dispositif de coupure de pale (100) est configuré pour former une coupure dans la pale (90) définissant une profondeur de coupure (94D) pour le retrait de l’au moins une pale (90), dans lequel la profondeur de coupure (94D) est une valeur non nulle entre 0 et 40 % de la longueur de corde axiale (97).
  15. Démarreur à turbine à air (10) selon la revendication 10, comprenant en outre une bague de confinement (72) positionnée radialement vers l’extérieur de l’organe turbine (80).
  16. Démarreur à turbine à air (10) pour le démarrage d’un moteur (14), comprenant :
    un carter de démarreur (30) définissant une entrée (32), une sortie (34) et un passage d’écoulement (36) s’étendant entre l’entrée (32) et la sortie (34) ;
    un organe turbine rotatif (80) comprenant un moyeu central (82) définissant une plateforme (84), et au moins une pale (90) s’étendant radialement à partir de la plateforme (84) entre un pied (92) et un bout (93), et s’étendant également entre un bord d’attaque et un bord de fuite pour définir une longueur de corde axiale (97) ; et
    un dispositif de coupure de pale (100) faisant face à l’au moins une pale (90) à proximité du pied (92), dans lequel le dispositif de coupure de pale (100) définit une longueur axiale de dispositif de coupure (105) inférieure à la longueur de corde axiale (97).
  17. Démarreur à turbine à air (10) selon la revendication 16, dans lequel le dispositif de coupure de pale (100) s’étend radialement dans le passage d’écoulement (36).
  18. Démarreur à turbine à air (10) selon la revendication 16, dans lequel le dispositif de coupure de pale (100) comprend un disque (110) ayant un bord de coupure (112) s’étendant axialement.
  19. Démarreur à turbine à air (10) selon la revendication 16, dans lequel le dispositif de coupure de pale (100) est configuré pour former une coupure dans la pale (90) définissant une profondeur de coupure (94D) pour le retrait de l’au moins une pale (90), dans lequel la profondeur de coupure (94D) est une valeur non nulle entre 0 et 40 % de la longueur de corde axiale (97).
  20. Démarreur à turbine à air (10) selon la revendication 16, comprenant en outre une bague de confinement (72) positionnée radialement vers l’extérieur de l’organe turbine (80).
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