EP0204615B1 - Procédé de réalisation de pivot d'aube de turbomachine et aube de stator le comportant - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for making the pivot of the foot of turbomachine blades and in particular of stator blades with variable setting of compressors for aviation turbojets.
- the blades generally comprise a head pivot cooperating with a bearing fixed in the motor casing and driven by a device for adjusting the orientation of the blades, while the blade roots have a cylindrical bearing which their allows rotation inside a bearing arranged in the internal housing of an inner ring of the motor.
- variable-pitch vanes comprising a cylindrical foot pivot journalling in a bearing are disclosed in particular in US patent 3,990,810 or in French patent 1,114,241 as well as in French patent application No. 83.19538 of DECEMBER 7, 1983 to name of the plaintiff, published under the number FR 2 556 410.
- the production of these blades is delicate since they are obtained for molding, the mold is complicated to produce.
- the cylindrical bearing surface of the blade root must be taken up by turning to ensure correct machining of the base pivot, which constitutes an additional constraint, both from the point of view of complexity, and of manufacturing times or of its cost.
- the method according to the invention aims to simplify the manufacture of the blade and in particular of the blade root in order to reduce the cost.
- Another object of the invention is to eliminate machining operations on the foot of variable-pitch rotary blades while retaining their ability to journal by means of a socket in a housing of the inner ring of the engine.
- Another object of the invention is to simplify the mounting of the stator blades with variable setting in their inner ring, and in particular to facilitate the height adjustment of the blades in their housing, while minimizing the play due to machining defects or mounting.
- the subject of the invention is therefore a method of producing blades for turbomachinery, the blade root having to support a bushing comprising an external cylindrical bearing for journalling in the internal ring of the turbomachine.
- the punch can be formed either by the blade root itself, or by a tool of the same profile but having a dimension slightly lower than that of the blade.
- Blades of which the foot is in the profile of the blade have already been produced as revealed by the French patents 1 445 249 and English 807 231 but they were in both cases of fixed stator blades, fixed in slots of the inner ring without any possible adjustment of the orientation of the stator vanes and for which there was therefore no problem of rotation of the vane around its major longitudinal axis.
- the invention therefore also relates to a stator blade with variable setting for a turbomachine comprising a head pivot and a foot pivot, the head pivot cooperating with a bearing fixed in the motor casing and being driven by an adjustment device. of the orientation of the blades while the foot pivot supports a bushing capable of journalling in the inner ring of the motor, stator blade such that, according to the invention, the foot pivot has a tenon shape whose cross section is produced in the extension of the blade profile limited to its lateral ends by two parallel sides, and that the foot pivot is surrounded by a sleeve produced by ultrasound by driving in the blade root or an equivalent tool.
- the rail has on its upper face an abradable material capable of compensating for the mounting clearance of the blade provided with its sleeve in the inner ring and ensuring the height adjustment of the blade in the ring.
- FIG. 1 is shown in axial section a compressor part of a gas turbine engine.
- a stator stage separates two stages of movable vanes 3 mounted on a drum-shaped rotor.
- the stator is formed of a crown of vanes 2 extending radially from the casing 1 on which they are mounted for rotation about their longitudinal axis by means of a head pivot 4 journalled in a bearing of the casing 1, with the interposition of a socket 22.
- This pivot is connected to a timing control mechanism, not shown.
- the blades At their other end, moving towards the axis of the motor, the blades have a foot 5 cooperating with a bore of a bush 6, which can rotate in a radial bore of the ring sector 7.
- the ring defined by its external face, the internal wall of the compressor stream, the constituent sectors being joined by a rail 8 also divided into sectors. The edges of the rail 8 are bent in the form of hooks and engage with two lateral flanges 9 of the ring.
- the rail 8 serves as a support for a material forming a seal and wear seal 10 which cooperates in known manner with the wipers 11 of the labyrinth seal integral with the rotor to limit leaks due to the difference in pressures prevailing on the part and other from the stator stage.
- a blade 2 is molded comprising a base 5 whose profile is an extension of the profile of the blade and whose lateral ends consist of two parallel sides 12. Parallel to this operation, the bushing intended to cooperate with the blade root 5 and the ring 7 is partially produced.
- the external shapes are made in the factory in a known manner either by making a simple cylindrical bearing, or in an alternative embodiment explained below, by creating a diamond-shaped base intended to fulfill a function of safety stop in the event of the device breaking. adjusting the orientation of the blades.
- the sleeve blank thus produced is then placed vertically in the tank of a machine for machining by ultrasound and the bore of the sleeve is used for the punch for machining, the blade root itself, it is subjected to a vibration of ultrasonic frequency and which is subjected to a vertical translation of driving into the socket.
- Machining by ultrasound of the sleeve 6 is carried out until the bore opens at the bottom of the sleeve.
- self-lubricating material is used for the sleeve 6. More particularly, the material chosen may be carbon.
- machining of the bore can be carried out by electrochemical machining or by EDM, machining by ultrasound is preferred for a carbon sleeve because of its speed.
- the execution time of a socket bore by ultrasound does not ordinarily exceed ten seconds.
- variable-pitch blade roots constitutes significant progress in the manufacture of blades of turbomachines of this type since it allows the use of rough molding blades without any accessory operation for machining the blade root to produce with the bushing, an assembly mounted for rotation in the inner ring of the stator, the blade root pivot then being consisting of the blade root cooperating with its socket.
- the invention also covers such a stator vane, with variable timing, having a tenon-shaped foot produced in the extension of the profile of the vane, limited at its lateral ends by two parallel faces and cooperating with a bushing whose bore is machined by ultrasound according to the method described above.
- a blade of this kind provided with its bushing is intended to come to journall in a housing formed by a circumferential groove 17 of the inner ring 7 of the stator, the ring being disposed inside a circular rail 8.
- the rail 8 carries on its upper internal face an abradable material 13 intended to compensate for the games of manufacture and mounting between the foot of blade 5 cooperating with its bush 6, on the one hand and the rail 8 on the other hand, these clearances can come from a dispersion of the blade root lengths due to their manufacturing tolerance, to a radial dispersion of mounting of the vanes on their angular displacement control device or even circularity defects of the ring 7 and in particular of its lateral flanges 9.
- the abradable material 13 also makes it possible, by the appropriate calculation of its thickness, to ensure the height adjustment from dawn in the ring 7.
- the play is made up as provided for in French patent application No. 83.19538 in the name of the applicant.
- the socket is made to have an external thread cooperating with a complementary tapping of their housing in the ring sector so that the sleeve being in abutment against the lower edge of the blade platform, a radial displacement of the blade is obtained by rotation of the sleeve in its housing.
- the socket 6 may include abutment means preventing the blade 2 from becoming feathered, which could cause pumping of the entire stage, if one of the elements of the device adjusting the orientation of the blades broke.
- the socket 6 comprises to do this a base 14 of flat section in the form of a diamond whose vertices 15, 16 located on the small diagonal of the diamond are rounded.
- the ring 7 has a circumferential groove 17 of width slightly greater than the small diagonal of the base 14.
- the socket 6 In normal operation, the socket 6 is supported by its rounded vertices 15, 16 on the faces of the groove 17.
- the orientation of the bore of the sleeve can be calculated with respect to the small diagonal of the base so that, even in the event of failure of the control elements, that is to say when the faces 18 or 19 of the base are supported on the groove 17, the orientation of the blade remains compatible with a correct operation of the stator stage.
- the invention allows a simplification of the production of variable pitch vanes and their safety devices and therefore a significant reduction in manufacturing times and costs, which makes it particularly suitable for the manufacture of blades of aviation turbojets.
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Description
- L'invention concerne un procédé de réalisation de pivot de pied d'aubes de turbomachine et notamment d'aubes de stator à calage variable de compresseurs pour turboréacteurs d'aviation.
- La possibilité d'orientation des aubes de stator des différents étages de compresseur est particulièrement nécessaire si l'on désire pour chaque étage du compresseur la plus grande pression possible à un régime donné tout en conservant une marge au pompage suffisante. Pour permettre cette orientation, les aubes comportent généralement un pivot de tête coopérant avec un palier fixé dans le carter du moteur et entraîné par un dispositif de réglage de l'orientation des aubes, tandis que les pieds d'aubes comportent une portée cylindrique qui leur permet de tourillo- ner à l'intérieur d'un palier disposé dans le logement interne d'un anneau intérieur du moteur.
- De telles aubes à calage variable comportant un pivot de pied cylindrique tourillonnant dans un palier sont divulguées notamment dans le brevet US 3 990 810 ou dans le brevet français 1 114 241 ainsi que dans la demande de brevet française N° 83.19538 du 7 DECEMBRE 1983 au nom de la demanderesse, publiée sous le n° FR 2 556 410.
- La réalisation de ces aubes est délicate car celles-ci étant obtenues pour moulage, le moule en est compliqué à réaliser. D'autre part, la portée cylindrique du pied d'aube doit être reprise par tournage pour assurer un usinage correct du pivot de pied, ce qui constitue une contrainte supplémentaire, tant au point de vue de la complexité, que des temps de fabrication ou de son coût. Le procédé selon l'invention a pour but de simplifier la fabrication de l'aube et notamment du pied d'aube en vue d'en diminuer le coût.
- Un autre but de l'invention est de supprimer des opérations d'usinage du pied d'aubes tournantes à calage variable tout en conservant leur faculté de tourillonner au moyen d'une douille dans un logement de l'anneau intérieur du moteur.
- Un autre but de l'invention est de simplifier le montage des aubes de stator à calage variable dans leur anneau intérieur, et notamment de faciliter le réglage en hauteur des aubes dans leur logement, tout en minimisant les jeux dûs aux défauts d'usinage ou au montage.
- L'invention a donc pour objet un procédé de réalisation d'aubes de turbomachines, le pied d'aube devant supporter une douille comportant une portée cylindrique externe pour tourillonner dans l'anneau interne de la turbomachine.
- Selon l'invention,
- - on réalise par moulage l'aube comportant un pied d'aube constitué en forme de tenon dont le profil de section est réalisé dans le prolongement du profil de l'aube,
- - on réalise une douille pleine comportant une portée de tourillonnement externe et on la dispose verticalement dans la cuve d'une machine d'usinage par ultra-sons,
- - on réalise l'alésage interne de la douille par enfoncement vertical d'un poinçon dont la section est sensiblement identique à celle du pied d'aube, le poinçon étant soumis à une vibration de fréquence ultra-sonore, et
- - on assemble la douille ainsi percée sur le pied d'aube.
- Selon des variantes, le poinçon peut être constitué soit par le pied d'aube lui-même, soit par un outil de même profil mais présentant une cote légèrement inférieure à celle de l'aube.
- Des aubes dont le pied est au profil de l'aube ont déjà été réalisées ainsi que le révèlent les brevets français 1 445 249 et anglais 807 231 mais il s'agissait dans les deux cas d'aubes de stator fixes, fixées dans des fentes de l'anneau intérieur sans aucun réglage possible de l'orientation des aubes du stator et pour lesquelles il ne se posait donc aucun problème de rotation de l'aube autour de son grand axe longitudinal.
- L'invention a donc également pour objet une aube de stator à calage variable pour turbomachine comportant un pivot en tête et un pivot en pied, le pivot de tête coopérant avec un palier fixé dans le carter du moteur et étant entraîné par un dispositif de réglage de l'orientation des aubes tandis que le pivot de pied supporte une douille apte à tourillonner dans l'anneau intérieur du moteur, aube de stator telle que, selon l'invention, le pivot de pied a une forme en tenon dont la section est réalisée dans le prolongement du profil de l'aube limitée à ses extrémités latérales par deux pans parallèles, et que le pivot de pied est entouré par une douille réalisée par ultra-sons par enfoncement du pied d'aube ou d'un outil équivalent.
- De façon préférentielle, lorsque l'anneau intérieur du stator est disposé à l'intérieur d'un rail circulaire comportant des moyens d'étanchéité entre stator et rotor, et si le pied d'aube traverse la douille de part en part, le rail comporte sur sa face supérieure un matériau abradable apte à compenser les jeux de montage de l'aube munie de sa douille dans l'anneau intérieur et à assurer le réglage en hauteur de l'aube dans l'anneau.
- D'autres caractéristiques et des détails ainsi que des lecture du complément de description qui va suivre donnant un exemple non limitatif de réalisation en relation avec les dessins annexés sur lesquels :
- - la figure 1 est une coupe axiale d'une partie de compresseur montrant la liaison d'un pivot de pied d'aube de stator à calage variable sur l'anneau intérieur du stator.
- - La figure 2 montre agrandi, le détail de l'assemblage du pied d'aube selon l'invention dans l'anneau intérieur du stator.
- - Les figures 3 et 4 montrent en perspective le montage du pied d'aube respectivement dans la première et la seconde variante d'une douille selon l'invention
- - la figure 5 montre en coupe l'assemblage du pied d'aube muni de la seconde variante d'exécution de la douille comportant des moyens de butée de sécurité en cas de rupture de l'un des éléments du dispositif de réglage de l'orientation des aubes.
- Sur la figure 1 on a représenté en coupe axiale une partie de compresseur d'un moteur à turbine à gaz. A l'intérieur du carter 1, un étage de stator sépare deux étages d'aubes mobiles 3 montées sur un rotor en forme de tambour. Le stator est formé d'une couronne d'aubes 2 s'étendant radialement à partir du carter 1 sur lequel elles sont montées à rotation autour de leur axe longitudinal par l'intermédiaire d'un pivot de tête 4 tourillonnant dans un palier du carter 1, avec interposition d'une douille 22. Ce pivot est relié à un mécanisme de commande de calage, non représenté. A leur autre extrémité en se dirigeant vers l'axe du moteur, les aubes comportent un pied 5 coopérant avec un alésage d'une douille 6, mobile en rotation dans un alésage radial du secteur d'anneau 7. L'anneau définit par sa face extérieure, la paroi interne de la veine du compresseur, les secteurs le constituant étant réunis par un rail 8 divisé également en secteurs. Les bords du rail 8 sont recourbés en forme de crochets et viennent en prise avec deux brides latérales 9 de l'anneau.
- Le rail 8 sert de support à un matériau formant garniture d'étanchéité et d'usure 10 qui coopère de façon connue avec les léchettes 11 du joint labyrinthe solidaire du rotor pour limiter les fuites dues à la différence des pressions régnant de part et d'autre de l'étage statorique.
- Pour réaliser de façon simple la liaison du pied d'aube 5 sur l'anneau 7, on effectue le moulage d'une aube 2 comportant un pied 5 dont le profil est dans le prolongement du profil de l'aube et dont les extrémités latérales sont constituées par deux pans parallèles 12. Parallèlement a cette opération, on réalise partiellement la douille destinée à coopérer avec le pied d'aube 5 et l'anneau 7.
- On en usine les formes externes de façon connue soit en réalisant une simple portée cylindrique, soit dans une variante de réalisation explicitée plus loin, en créant une embase en forme de losange destinée à remplir une fonction de butée de sécurité en cas de rupture du dispositif de réglage de l'orientation des aubes.
- On dispose ensuite l'ébauche de douille ainsi réalisée verticalement dans la cuve d'une machine d'usinage par ultra-sons et on utilise pour poinçon d'usinage de l'alésage de la douille, le pied d'aube lui même, que l'on soumet à une vibration de fréquence ultra-sonore et auquel on fait subir une translation verticale d'enfoncement dans la douille.
- On effectue l'usinage par ultra-sons de la douille 6 jusqu'à ce que l'alésage débouche à la partie inférieure de la douille. De façon préférentielle, on utilise pour la douille 6 un matériau autolubrifiant. Plus particulièrement, le matériau choisi pourra être du carbone.
- En utilisant le pied d'aube lui-même comme poinçon d'usinage de la douille, on réalise un alésage dont les cotes seront légèrement supérieures à celles du pied d'aube, eu égard aux tolérances d'un usinage par ultrasons entre poinçon et matrice. Si on désire un ajustement plus serré entre pied d'aube et douille lors du montage, on pourra utiliser pour l'usinage de l'alésage de la douille un poinçon de même profil que le pied d'aube à assembler mais de cotes légèrement inférieures.
- Bien que l'on puisse effectuer l'usinage de l'alésage par usinage électrochimique ou par électro érosion, on préférera l'usinage par ultra- sons pour une douille en carbone en raison de sa rapidité.
- Ainsi, le temps d'exécution d'un alésage de douille par ultra-sons ne dépasse ordinairement pas une dizaine de secondes.
- L'application, nouvelle, du procédé, connu en lui-même d'usinage par ultra-sons, pour la réalisation de pieds d'aubes à calage variable constitue un progrès important dans la fabrication d'aubes de turbomachines de ce type puisqu'il permet d'utiliser des aubes brutes de moulage sans aucune opération accessoire d'usinage du pied d'aube pour réaliser avec la douille, un ensemble monté a rotation dans l'anneau intérieur du stator, le pivot de pied d'aube étant alors constitué du pied d'aube coopérant avec sa douille.
- L'invention couvre également une telle aube de stator, à calage variable possédant un pied en forme de tenon réalisé dans le prolongement du profil de l'aube, limité à ses extrémités latérales par deux pans parallèles et coopérant avec une douille dont l'alésage est usiné par ultra-sons selon le procédé décrit plus haut. Une aube de ce genre munie de sa douille est destinée à venir tourillonner dans un logement formé par une rainure 17 circonférentielle de l'anneau intérieur 7 du stator, l'anneau étant disposé à l'intérieur d'un rail circulaire 8. Selon une caractéristique de l'invention, si le pied d'aube 5 traverse la douille 6 de part en part, le rail 8 porte sur sa face interne supérieure un matériau abradable 13 destiné à compenser les jeux de fabrication et de montage entre le pied d'aube 5 coopérant avec sa douille 6, d'une part et le rail 8 d'autre part, ces jeux pouvant provenir d'une dispersion des longueurs de pieds d'aube dues à leur tolérance de fabrication, à une dispersion radiale de montage des aubes sur leur dispositif de commande de déplacement angulaire ou encore de défauts de circularité de l'anneau 7 et notamment de ses brides latérales 9. Le matériau abradable 13 permet également, par le calcul adéquat de son épaisseur, d'assurer le réglage en hauteur de l'aube dans l'anneau 7.
- Dans le cas où le tenon 5 ne traverse pas la douille 6 (variante non représentée), le rattrapage des jeux est effectué ainsi que le prévoit la demande de brevet française N° 83.19538 au nom de la demanderesse. On fait comporter à la douille un filetage extérieur coopérant avec un taraudage complémentaire de leur logement dans le secteur d'anneau de sorte que la douille étant en appui contre le bord inférieur de la plate- forme des aubes, un déplacement radial de l'aube est obtenu par rotation de la douille dans son logement. Selon une variante d'exécution de l'invention, la douille 6 peut comporter des moyens de butée empêchant l'aube 2 de se mettre en drapeau, ce qui pourrait entraîner un pompage de l'étage tout entier, si un des éléments du dispositif de réglage de l'orientation des aubes venait à se rompre.
- La douille 6 comporte pour ce faire une embase 14 de section plane en forme de losange dont les sommets 15, 16 situés sur la petite diagonale du losange sont arrondis. L'anneau 7 comporte une rainure circonférentielle 17 de largeur légèrement supérieure à la petite diagonale de l'embase 14.
- En fonctionnement normal, la douille 6 est en appui par ses sommets arrondis 15, 16 sur les faces de la rainure 17.
- En cas de rupture d'un des éléments de commande de l'orientation de l'aube 2, entraînant la rotation brutale de l'aube et du pivot dans la rainure, cette rotation est arrêtée lorsque les faces 18 ou 19 viennent en appui sur les faces 17 de la rainure.
- L'orientation de l'alésage de la douille pourra être calculé par rapport à la petite diagonale de l'embase de telle sorte que, même en cas de rupture des éléments de commande, c'est-à-dire lorsque les faces 18 ou 19 de l'embase sont en appui sur la rainure 17, l'orientation de l'aube reste compatible avec un.fonctionnement correct de l'étage statorique.
- Par sa facilité d'exécution, l'invention permet une simplification de la production des aubes à calage variable et de leurs dispositifs de sécurité et donc une diminution notable des durées et des coûts de fabrication, ce qui la rend particulièrement adaptée à la fabrication des aubes de turboréacteurs d'aviation.
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