BE1030541A1 - Accouplement deformable pour aube a calage variable - Google Patents
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Classifications
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract
L’invention concerne un ensemble (52) pour turbomachine, comprenant : une virole (30) ; une aube (26) ; et un levier de commande (36) de l’orientation de l’aube (26) par rapport à la virole (30) ; l’ensemble comprenant un accouplement déformable (60) entre l’aube (26) et la virole (30), l’accouplement déformable (60) autorisant un seul degré de liberté, en rotation, entre l’aube (26) et la virole (30).
Description
1 BE2022/5383
ACCOUPLEMENT DEFORMABLE POUR AUBE A CALAGE VARIABLE
Domaine technique
L’invention concerne le domaine des turbomachines et plus particulièrement les turboréacteurs d'aéronefs. Plus précisément, l'invention concerne la conception de l’actionnement en pivotement d’aubes statoriques à calage variable.
Technique antérieure
Dans une turbomachine, il est connu de prévoir des aubes dites à calage ou orientation variable, qui pivotent sur leur axe en fonction de la charge ou de la vitesse de rotation de la turbomachine afin d’en optimiser le rendement. Le document EP 2 031 188 A1 décrit un mécanisme d’actionnement de l’orientation d’une aube à calage variable. L’aube dispose d’une tête munie d’une tige qui est solidaire d’un levier d’actionnement. La tige s’étend au travers d’un orifice d’une virole externe. Entre la tige et la virole sont agencées deux douilles pour assurer le bon positionnement de l’aube et garantir l’étanchéité du flux d’air.
Ces douilles sont formées de matériau plus doux que la virole ou la tige. Ces douilles s'usent donc en raison du frottement de la tige lors du pivotement de l’aube. Cette usure modifie la géométrie des douilles et conduit à des fuites d'air et/ou des défauts de positionnement de l'aube, ainsi que potentiellement un endommagement prématuré du mécanisme d'orientation des aubes. La conception avec une tige pivotant dans un orifice de la virole engendre donc des opérations de maintenance.
Résumé de l'invention
Problème technique
L'invention a pour objectif de proposer une conception nécessitant moins d'opérations de maintenance et garantissant un positionnement précis de l’aube qui ne se dégrade pas au cours de l’utilisation de la turbomachine.
Solution technique
L'invention a pour objet un ensemble pour turbomachine, comprenant : une — virole ; une aube ; et un levier de commande de l’orientation de l'aube par rapport
2 BE2022/5383 à la virole ; l'ensemble étant remarquable en ce qu'il comprend un accouplement déformable entre l’aube et la virole, l’'accouplement déformable autorisant un seul degré de liberté, en rotation, entre l’aube et la virole.
L’ensemble peut être prévu pour être agencé dans un compresseur notamment un compresseur basse-pression. La virole peut être une virole interne coopérant avec le pied de l’aube ou une virole externe coopérant avec la tête de l’aube. Le levier de commande peut être relié directement ou indirectement à l’aube.
L’accouplement déformable interdit en particulier toute translation entre l’aube et la virole et ne permet qu’une seule rotation. La rotation permise est celle qui est désirée pour le calage de l’aube, et qui est sensiblement perpendiculaire à la direction principale d'écoulement du flux d'air. Cette rotation peut se faire sensiblement autour d'un axe radial une turbomachine axiale ou d'un axe parallèle à l’axe de rotation d’un compresseur centrifuge.
Il est ainsi possible d'éliminer les frottements entre une surface mobile solidaire de l’aube et une surface fixe de la virole. La présence d’une douille devient optionnelle. La durée de vie de l’ensemble est donc plus longue que celle des systèmes connus. De plus, la précision du positionnement de l’aube n’est pas affectée par l’usure d’une douille et reste donc satisfaisante sur toute la durée de vie de la turbomachine.
Selon un mode avantageux de l'invention, l’accouplement déformable comprend une partie fixe, qui est rigide et liée à la virole ; une partie mobile, qui est rigide et liée à l’aube et au levier ; et au moins une lamelle flexible interposée entre la partie fixe et la partie mobile. Cette conception permet une fabrication aisée et un dimensionnement aisé car la mécanique régissant la déformation en flexion de lamelles est bien maîtrisée.
Selon un mode avantageux de l'invention, l’accouplement déformable est fait d’une pièce, préférentiellement métallique et/ou obtenue par fabrication additive.
La conception en une seule pièce simplifie l’assemblage, allège l’ensemble et écourte le process de fabrication (pièce réalisable sur une seule machine d'usinage, d’électroérosion, de fabrication additive, etc.).
Selon un mode avantageux de l'invention, la virole comprend un orifice cylindrique dans lequel est agencé, ou est confiné, l’accouplement déformable.
3 BE2022/5383
Ceci permet un gain en compacité et permet également d'adapter le nouveau design à une virole et/ou une aube existante(s).
Selon un mode avantageux de l'invention, l’accouplement déformable est au contact de la virole sur au moins une portion de l’orifice cylindrique. La fixation cylindre sur cylindre est avantageuse car elle ne présente pas de difficulté technique. Aussi, l’étanchéité est garantie puisque la fabrication de formes cylindriques précises est aisée (alésage, tournage ou perçage).
Selon un mode avantageux de l'invention, l’accouplement déformable comprend un anneau solidaire de la virole ; un pion central coaxial à l’anneau et solidaire de l'aube ; et des lamelles flexibles reliant l'anneau au pion central. Dans cette variante, la partie tournante est centrale.
Selon un mode avantageux de l'invention, un jeu entre l’accouplement déformable et la virole se présente sur une portion angulaire de l'orifice cylindrique. Ce jeu, rendu possible par la précision de l’accouplement déformable quine permet qu’une rotation pure de l’aube, évite tout frottement entre une pièce tournante et une pièce fixe.
Selon un mode avantageux de l'invention, l’accouplement déformable comprend une partie mobile solidaire de l’aube et qui est excentrée par rapport à l’axe de l’orifice cylindrique. Dans cette variante, la présence d’un tourillon ou d’une tige en tête d’aube n’est pas nécessaire, simplifiant de fait la fabrication des aubes.
Selon un mode avantageux de l'invention, l’accouplement déformable comprend une partie mobile et l’aube comprend une pale qui est sensiblement centrée sur la partie mobile, vu dans un plan perpendiculaire à la direction de rotation.
Selon des modes avantageux de l'invention, l’ensemble comprend une douille d'étanchéité entre le levier et la virole, agencée du côté de l’accouplement déformable opposé à l'aube. Cette douille est agencée radialement extérieurement à l’accouplement déformable (dans le cas d’une turbomachine axiale).
Selon un mode avantageux de l'invention, l’ensemble comprend une douille d’étanchéité entre l'aube et la virole, agencée du côté de l’accouplement déformable opposé au levier. Cette douille est agencée radialement intérieurement à l’accouplement déformable (dans le cas d’une turbomachine axiale).
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Selon des modes avantageux de l'invention, Vaccouplement déformable comprend six lamelles déformables en flexion pure selon des axes respectifs parallèles entre eux.
L’invention porte également sur une turbomachine comprenant un compresseur avec une rangée annulaire d’aubes statoriques à orientation variable ; une série de leviers de commande de l'orientation des aubes reliés à une bague de synchronisation ; et une virole externe, la turbomachine étant remarquable en ce qu’elle comprend une rangée annulaire d’accouplements déformables respectivement agencés entre chaque aube statorique et la virole, chaque accouplement déformable autorisant un seul degré de liberté, en rotation, entre chaque aube et la virole.
Selon un mode avantageux de l'invention, chaque accouplement déformable comprend une partie mobile liée à l'aube respective et une partie fixe liée à la virole, la partie mobile étant disposée en amont de la partie fixe.
Avantages apportés
En prévoyant un accouplement déformable et non une liaison pivot traditionnelle, les frottements entre pièces mobiles et pièces fixes sont supprimés. Il s’en suit une réduction de l’usure et des besoins de maintenance.
La précision du positionnement, généralement tributaire de l’usure des pièces en jeu, est par conséquent également maintenue sur une plus longue durée de vie de la turbomachine.
L’accouplement déformable peut être fabriqué en métal (par exemple titane) et peut être plus résistant aux hautes températures que la traditionnelle douille d'étanchéité (généralement en matériau composite).
L'accouplement déformable peut être fait d’une seule pièce, offrant une fabrication simple notamment avec les techniques modernes de fabrication additive.
Brève description des dessins
La figures 1 représente une turbomachine axiale ;
La figure 2 est un schéma d’un compresseur de turbomachine ;
La figure 3 illustre une aube à calage variable selon l’état de la technique ;
Les figures 4A à 4C montrent un ensemble pour turbomachine selon un premier mode de réalisation ;
Les figures 5A et 5B représentent un ensemble pour turbomachine selon un deuxième mode de réalisation ; 5 Les figures GA et 6B montrent un ensemble pour turbomachine selon un troisième mode de réalisation.
Description des modes de réalisation
Dans la description qui va suivre, les termes « interne » et « externe » renvoient à un positionnement par rapport à l'axe de rotation d’une turbomachine axiale.
La direction axiale correspond à la direction le long de l’axe de rotation de la turbomachine. La direction radiale est perpendiculaire à l'axe de rotation. L’amont et l’aval sont en référence au sens d'écoulement principal du flux dans la turbomachine.
La figure 1 représente de manière simplifiée un exemple de turbomachine axiale 2. Celle-ci comprend un compresseur basse-pression 4, un compresseur haute- pression 6, une chambre de combustion 8 et un ou plusieurs niveaux de turbines 10. En fonctionnement, la puissance mécanique de la turbine 10 transmise via l'arbre central jusqu’au rotor 12 met en mouvement les deux compresseurs 4 et 6. Ces derniers comportent plusieurs rangées d'aubes de rotor associées à des rangées d'aubes de stator. La rotation du rotor autour de son axe de rotation 14 permet ainsi de générer un débit d’air et de comprimer progressivement ce dernier jusqu’à entrée de la chambre de combustion 8.
Une soufflante 16 est couplée au rotor 12 via un train d’engrenage 17. Celle-ci génère un flux d’air qui se divise en un flux primaire 18 traversant les différents niveaux susmentionnés de la turbomachine, et en un flux secondaire 20 traversant un conduit annulaire (partiellement représenté) le long de la machine pour ensuite rejoindre le flux primaire en sortie de turbine.
Si la figure 1 représente une turbomachine axiale, il est entendu que les principes de l'invention peuvent également s'appliquer à d’autres types de turbomachine, notamment avec un compresseur centrifuge.
La figure 2 est une vue en coupe d’un compresseur basse-pression 4 selon l’état de la technique. Le rotor 12 comprend plusieurs rangées d’aubes rotoriques 24.
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Il peut être constitué d’un tambour monobloc aubagé ou de disques aubagés monoblocs.
Le compresseur 4 comprend plusieurs redresseurs, par exemple quatre, qui contiennent chacun une rangée d’aubes statoriques 26. Certaines aubes statoriques peuvent être à orientation réglable, également appelé aubes à calage variable. Les redresseurs sont associés respectivement à une rangée d’aubes rotoriques pour redresser le flux d’air, de sorte à convertir la vitesse du flux en pression, notamment en pression statique.
Les aubes statoriques 26 s'étendent essentiellement radialement depuis une virole externe 30 vers des anneaux internes 32 qui peuvent être sectorisés.
Les aubes 26 disposent généralement de tiges (« axes » ou « tourillons »), 34, qui engagent un orifice de la virole externe 30. La virole externe 30 présente une surface interne 29 de guidage du flux. Dans les zones voisines des tiges 34, il convient de prévoir une étanchéité pour éviter les fuites d’air qui s'échapperaient de la surface 29.
La tige 34 est généralement mue en pivotement par un levier 36 autour de l'axe 38 de la tige 34. Le levier 36 est solidaire de la tige 34, fixé par exemple par un écrou.
Les leviers 36 de la rangée annulaire d’aubes 26 sont tous reliés à une bague de synchronisation 40.
La figure 3 illustre une vue agrandie de l'agencement de l’aube à calage variable 26 selon l’état de la technique.
Chaque aube 26 comprend une pale 26.1 reliée à chacune de ses extrémités radialement interne et externe à une tige 34 qui s'étend le long de l'axe 38 de pivotement de l'aube.
La virole 30 comprend une cheminée 30.1 percée d’un orifice cylindrique 30.2.
La tige externe 34 est engagée dans l’orifice cylindrique 30.2 et est centrée et guidée en rotation dans cette cheminée par deux douilles d’étanchéité 42, 44 identiques montées tête-bêche autour de la tige 34.
L'extrémité radialement externe de la tige 34 est filetée et est fixée au levier 36 au moyen d'un écrou 46. Le levier de commande 36 porte un doigt 48 guidé dans la bague de synchronisation 40. Un déplacement angulaire de la bague 40 autour
7 BE2022/5383 de l’axe 14 se traduit par une rotation du levier 36 et de l'aube 26 autour de l'axe 38.
La tige interne 34 est engagée dans un logement cylindrique de l'anneau interne 32 et est centrée et guidée en rotation dans ce logement par une douille cylindrique 50.
Les douilles 42, 44, 50 s’usent et affectent la précision de positionnement de l’aube. Elles nécessitent des opérations de maintenance. L'invention illustrée sur les figures suivantes vise à surmonter ces problèmes.
La figure 4A montre un ressort en étoile 60 qui est composé d’un empilement de plusieurs couches 62, chaque couche 62 comprenant deux portions angulaires 64, 66 reliées entre elles par un bras 68. Le bras 68 peut se présenter au moins partiellement sous la forme d’une lamelle, c’est-à-dire une forme ayant une direction privilégiée de flexion (autour de son épaisseur). Le bras 68 peut avoir une portion plus épaisse non flexible. Optionnellement, plusieurs bras 68 peuvent relier les portions 64, 66 d’une même couche 62.
Les portions angulaires 64, 66 de chaque couche 62 sont empilées et respectivement solidaires les unes des autres, par exemple à l’aide de pions pénétrant des orifices prévus à cette fin (représentés mais non référencés sur la figure 4A). Les bras 68 des différentes couches 62 sont décalés angulairement, et agencés symétriquement ou non par rapport à l’axe central du ressort 60 et/ou par rapport à un plan médian au milieu de l’'empilement des couches 62.
Dans une variante privilégiée, le ressort 60 comprend six couches 62.
Le ressort 60 peut être fait d’une seule pièce (par exemple réalisée par fabrication additive).
L'agencement des bras 68 a pour conséquence que seule une flexion pure des bras 68 est rendue possible. Les portions angulaires 66 peuvent donc avoir un mouvement de rotation pure par rapport aux portions angulaires 64 autour de l’axe de symétrie du ressort 60 (ou vice versa). Une excentration de moins de 5 microns est observée pour un angle balayé de 20° entre les deux portions 64, 66; un décalage de 1 micron de l’axe apparaît pour un effort de 10 N ; un couple résistant de 0.09 Nm est mesuré pour un angle balayé de 20°. Ces résultats montrent le niveau de précision d’un tel ressort 60. En fatigue, ce ressort 60 résiste à environ 180 000 cycles de +/-10° d'amplitude.
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Ce ressort 60 constitue un accouplement déformable selon l'invention et est implémenté sur la figure 4B représentant un ensemble 52 selon l'invention. La portion 64 du ressort 60 est fixée à la virole 30 et la portion 66 est fixée à l’aube 26 et au levier 36. Ainsi, sous l’action de la bague 40, le levier 36 et l'aube 26 pivotent autour de axe 38. La portion 64 est fixe et n’entraîne aucune usure, et la portion 66 peut être à distance de la virole 30, un jeu J pouvant être prévu entre la virole 30 et cette partie mobile 66.
La fixation de la partie fixe 64 peut être réalisée par n'importe quel moyen adapté, notamment des vis orientées parallèlement ou perpendiculairement à l’axe 14 ou par des brides.
Une douille 70 ou un joint d'étanchéité peut demeurer mais celle-ci n’est plus responsable du positionnement de l’aube et peut donc être faite d’un matériau non susceptible d’usure. La précision du positionnement de l’aube n'est plus affectée par l’usure d’une douille et reste donc satisfaisante sur toute la durée de vie de la turbomachine.
Seule la partie en tête d’aube est représentée mais les mêmes enseignements peuvent être appliqués sur le pied de l'aube.
La figure 4C montre une alternative, avec une douille 70 entre le levier 36 et la virole 30, en position radialement extérieure par rapport à l’accouplement déformable 60.
La figure 5A illustre en vue isométrique un accouplement déformable 160 qui peut également être implémenté entre l’aube 26 et la virole 30. Il s’agit ici d’une charnière papillon, d’un seul tenant. De la même manière que pour l'exemple précédent, cet accouplement 160 présente deux portions 164, 166 mobiles en rotation l’une par rapport à l’autre, et séparées de lamelles 168 plus ou moins fines. L'axe 38 est référencé pour illustrer la position que prend le papillon une fois monté.
Chaque portion 164, 166 est de forme généralement triangulaire, avec des arêtes qui peuvent être arrondies pour un agencement aisé dans un orifice cylindrique.
Les portions angulaires 164, 166 peuvent être fixées respectivement à la virole ou à l’aube au moyen par exemple de visseries adaptées pénétrant les trous représentés sur la figure SA.
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Les lamelles 168 empêchent tout mouvement relatif entre les deux portions 164, 166 autre que la rotation autour de l’axe de symétrie de la pièce 160 (qui coïncide avec l’axe 38 une fois monté).
La figure 5B montre l'implémentation de l’accouplement 160 dans un compresseur.
Les tests montrent des résultats en précision et durée de vie qui sont équivalents à ceux du ressort 60.
Les figures GA et 6B montre deux exemples en vue isométrique d’une autre variante dans laquelle Vaccouplement déformable 260 prend la forme d’une rosace. Un anneau externe 264 est destiné à être fixé à la virole 30 alors que le pion central 266 est destiné à être fixé à l'aube 26 et au levier 36. Entre l’anneau 264 et le pion central 266 sont agencés des lamelles 268.
Des pattes radiales (non référencées) solidaires du pion central 266 permettent plus de liberté dans le choix de l'attachement de l’aube 26 et du levier 36.
La figure 6C illustre un exemple d’implémentation de l’accouplement déformable 260 de la figure GA dans un compresseur.
Les tests montrent des résultats en précision et durée de vie qui sont équivalents à ceux du ressort 60.
Il est à noter que l'invention est illustrée en rapport à une turbomachine axiale mais l'exact même système peut être implémenté dans un compresseur centrifuge.
Aussi, le nombre de lamelles 68, 168, 268 des accouplements déformables 60, 160, 260 et leur géométrie peuvent être choisis de sorte à obtenir un couple résistant ou un retour élastique déterminé.
L'accouplement déformable 60 est représenté comme un empilement de couches 62 mais celui-ci peut également être réalisé d’un seul tenant, notamment par fabrication additive.
Les accouplements déformables 160 et 260 sont représentés comme monoblocs mais ils peuvent être réalisés en plusieurs pièces assemblées entre elles.
Claims (14)
1. Ensemble (52) pour turbomachine (2), comprenant : - une virole (30) ; - une aube (26) ; et - un levier de commande (36) de l’orientation de l’aube (26) par rapport à la virole (30) ; l'ensemble étant caractérisé en ce qu’il comprend un accouplement déformable (60, 160, 260) entre l’aube (26) et la virole (30), l’accouplement déformable (60, 160, 260) autorisant un seul degré de liberté, en rotation, entre l'aube (26) et la virole (30).
2. Ensemble (52) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’accouplement déformable (60, 160, 260) comprend une partie fixe (64, 164, 264), qui est rigide et liée à la virole (30) ; une partie mobile (66, 166, 266), qui est rigide et liée à l’aube (26) et au levier (36) ; et au moins une lamelle flexible (68, 168, 268) interposée entre la partie fixe (64, 164, 264) et la partie mobile (66, 166, 266).
3. Ensemble (52) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'accouplement déformable (60, 160, 260) est fait d’une pièce, préférentiellement métallique et/ou obtenue par fabrication additive.
4 Ensemble (52) selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la virole (30) comprend un orifice cylindrique (30.2) dans lequel est agencé, ou est confiné, Vaccouplement déformable (60, 160, 260).
5. Ensemble (52) selon la revendication 4, caractérisé en ce que l’accouplement déformable (60, 160, 260) est au contact de la virole (30) sur au moins une portion de l’orifice cylindrique (30.2).
6. Ensemble (52) selon la revendication 5, caractérisé en ce que l’accouplement déformable (260) comprend un anneau (264) solidaire de la virole (30) ; un pion central (266) coaxial à l'anneau (264) et solidaire de l'aube (26) ; et des lamelles flexibles (268) reliant l’anneau (264) au pion central (266).
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7. Ensemble (52, 152) selon l’une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce qu’un jeu (J) entre Vaccouplement déformable (60, 160) et la virole (30) se présente sur une portion angulaire de l’orifice cylindrique (30.2).
8. Ensemble (52, 152) selon la revendication 7, caractérisé en ce que l’accouplement déformable (60, 160) comprend une partie mobile (66, 166) solidaire de l’aube (26) et qui est excentrée par rapport à l’axe (38) de l'orifice cylindrique (30.2).
9. Ensemble (52, 152) selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que l’accouplement déformable (60, 160) comprend une partie mobile (66, 166) et l'aube (26) comprend une pale (26.1) qui est sensiblement centrée sur la partie mobile (66, 166), vu dans un plan perpendiculaire à la direction de rotation (38).
10. Ensemble (52) selon lune des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu’il comprend une douille d'étanchéité (70) entre le levier (36) et la virole (30), agencée du côté de l’accouplement déformable (60, 160, 260) opposé à l’aube (26).
11. Ensemble (52) selon l’une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu’il comprend une douille d’étanchéité (70) entre l’aube (26) et la virole (30), agencée du côté de l’'accouplement déformable (60, 160, 260) opposé au levier (36).
12. Ensemble (52) selon l’une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l’accouplement déformable (60, 160, 260) comprend six lamelles (68, 168, 268) déformables en flexion pure selon des axes respectifs parallèles entre eux.
13. Turbomachine (2) comprenant un compresseur (4) avec une rangée annulaire d’aubes statoriques (26) à orientation variable ; une série de leviers de commande (36) de l’orientation des aubes (26) reliés à une bague de synchronisation (40); et une virole externe (30), la turbomachine étant caractérisée en ce qu’elle comprend une rangée annulaire d’accouplements
12 BE2022/5383 déformables (60, 160, 260) respectivement agencés entre chaque aube statorique (26) et la virole (30), chaque accouplement déformable (60, 160, 260) autorisant un seul degré de liberté, en rotation, entre chaque aube (26) et la virole (30).
14. Turbomachine (2) selon la revendication 13, caractérisée en ce que chaque accouplement déformable (60, 160, 260) comprend une partie mobile (66, 166, 266) liée à l’aube (26) respective et une partie fixe (64, 164, 264) liée à la virole (30), la partie mobile (66, 166, 266) étant disposée en amont de la partie fixe (64, 164, 264).
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