Eclatement d'un disque de turbine de moteur d'avion
L'accident
Le 2 juin 2006, à l'aéroport de Los Angeles, pendant une opération de maintenance au sol, le feu a pris dans l'un des moteurs de l'avion et a sévèrement endommagé l'aile et le fuselage. Il a été maîtrisé en un quart-d'heure, révélant l'étendue des dégâts et laissant la place aux investigations sur les causes du sinistre qui n'a pas fait de victimes. Les circonstances de l'accidents sont relatées sur les sites site 1, site 2, site 3.
  |
  |
 |
La cause de l'accident est l'éclatement d'un disque de turbine de l'un des moteurs. Le disque n'est effectivement plus présent dans le moteur brûlé. Il a percé le carter. En tournoyant, il a découpé le dessous du fuselage pour finalement venir s'incruster dans un moteur de l'autre aile! Noter le caractère incongru de la dernière photo montrant une portion de disque planté dans la tuyère du moteur sauf... L'accident a eu lieu au sol à vide. On peut imaginer la catastrophe qu'un disque tournant à près de 20000 tours par minute peut provoquer en perçant le fuselage de l'avion en vol chargé de passagers...
  |
  |
 |
Disques de turbines
Les disques métalliques portant une rangée d'aubes sont les pièces clés des turbines de moteurs d'avions, d'hélicoptères, mais aussi des turbines à gaz pour la production d'électricité. Le rôle de ces disques est de porter les aubes permettant d'une part de comprimer les gaz dans la partie froide du moteur et d'autre part de recevoir le flux des gaz de combustion dans la partie chaude. Les carters de moteurs d'avion sont dimensionnés pour contenir les aubes pouvant se détacher lors d'un incident tel que l'ingestion d'oiseaux. Il n'est pas possible par contre d'arrêter un disque de turbine qui éclaterait en pleine rotation. Selon les normes en vigueur, les disques de turbine sont donc calculés pour ne pas éclater dans les conditions de service. On comprend alors la gravité de l'accident précédent. Les images ci-dessous montrent la chaîne de turbines d'un moteur d'hélicoptère (source Turboméca) un disque de turbine d'avion (source SNECMA), un disque de moteur d'hélicoptère muni d'aubes et les débris du disque après un essai d'éclatement sur banc (source Turboméca).
  |
  |
Prévision de l'éclatement d'un disque de turbine
Les causes d'éclatement peuvent être multiples : fissuration par fatigue due aux vibrations, sur-vitesse entraînant une déformation plastique excessive... L'analyse proposée dans le chapitre du poly intitulé ``Machines tournantes" permet de calculer les déformations et les contraintes lors du fonctionnement d'un disque simplifié dans le régime élastique. Il est possible alors de calculer la vitesse critique du disque entraînant l'entrée dans le régime élastoplastique, susceptible de conduire à terme à une déformation excessive du disque. On montre en particulier que la présence d'un alésage pour le passage de l'arbre de la turbine entraîne une réduction importante de la vitesse critique. Pour un disque de moteur d'hélicoptère en superalliage à base de nickel (rayon extérieur de 50mm, limite d'élasticité de l'ordre de 100MPa), on trouve une vitesse critique de plastification de 75000 tours/minute. L'analyse est aussi l'occasion d'étudier la précision des solutions obtenues dans le contexte des contraintes planes. Le dimensionnement industriel requiert des calculs par éléments finis de l'assemblage de turbines, ce qui sort du cadre de ce cours. Les figures ci-dessous montrent la déformée d'un disque simplifié à section rectangulaire (sans alésage) avec la carte des contraintes dans la direction de l'axe de rotation (à gauche) et les profils de contraintes radiale et orthoradiale attendues dans le disque pour un disque alésé avec un rayon extérieur égal à dix fois le rayon intérieur (à droite). Ces calculs sont présentés en détail dans le chapitre ``Machines tournantes".
  |