EP1739282A1 - Rotor de turbomachine comprenant au moins un disque renforce par un anneau composite - Google Patents

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EP1739282A1 EP06116258A EP06116258A EP1739282A1 EP 1739282 A1 EP1739282 A1 EP 1739282A1 EP 06116258 A EP06116258 A EP 06116258A EP 06116258 A EP06116258 A EP 06116258A EP 1739282 A1 EP1739282 A1 EP 1739282A1
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Definitions

  • the invention relates to a turbomachine rotor consisting of several disks assembled side by side coaxially, each disk carrying a series of vanes regularly distributed circumferentially, at least one of these disks being provided with a ring made of composite material at its radially innermost part. It relates more particularly to an improvement aiming at the integration of such a ring.
  • a rotor of the kind mentioned above having at least one disk provided, at its radially innermost portion, a composite ring.
  • a ring may for example consist of a wound resistive wire (such as silicon carbide) embedded in a metal matrix.
  • a wound resistive wire such as silicon carbide
  • the invention relates to an improvement for better integration of the ring to the disk structure.
  • the invention relates to a turbomachine rotor provided with at least one disc comprising a composite ring arranged at the radially innermost part of the disc, characterized in that said ring is housed in a closed annular cavity arranged in a part enlarged of said disk, in the form of hub and in that said annular cavity is formed by an annular groove machined in said enlarged portion and closed by an annular metal plate after placement of said ring.
  • a "hub” is conventionally located at the radially innermost part of the disk.
  • the invention also relates to a rotor disk, as such, having these characteristics.
  • This integration of the ring inside the "hub" of the disk is advantageous because it is no longer necessary for the metal matrix of the ring to be of the same metal as the disk.
  • braze the ring inside the groove by means of a suitable brazing material, compatible with the two metals and being for example in the form of powder.
  • the powder is introduced into the cavity with the ring and the solder can be done automatically during a subsequent hot isostatic compaction operation of said disk.
  • this plate can preferably be welded to said enlarged part.
  • the weld may advantageously be of the type making use of a vacuum electronic beam.
  • the ring itself, it may be made in the form of a coil of a silicon carbide wire embedded in a metal base.
  • This metal base is for example a titanium alloy. It is also possible to replace the silicon carbide wire with a wire of alumina.
  • Fixing the annular plate may be followed by a hot isostatic compaction operation of said disk.
  • this treatment operates a distribution of stresses in the weld between said enlarged portion and the annular plate, which improves the closure of the groove.
  • the piece is finished by a conventional finishing machining.
  • the composite material ring may be made by winding a silicon carbide wire, including this wire in a titanium-based alloy.
  • the alloy "TI6242" is suitable up to a temperature of use of the order of 450 ° C.
  • This ring may be integrated in the annular cavity formed in said enlarged portion in the form of a hub.
  • the disk can be made of a nickel-based alloy (INCO 718, for example).
  • the invention makes it possible to place the composite ring as close as possible to the axis of rotation in order to optimize its efficiency. As the ring is placed at small radius, the maximum temperature reached by it is less than 300 ° C while the temperature of the rim (at the level of the vein) is greater than 600 ° C.
  • an X-matrix composite ring in the cavity of a disk of a material Y subject to compatibility between the materials. If necessary a Z material envelope, different from X and Y, can be inserted around the composite ring to ensure compatibility between respective couples X-Z and Z-Y.
  • FIG. 1 illustrates a portion of a compressor 30 comprising a casing 32, a rotor 34 with axis of rotation XX, comprising five stages a - e of moving blades 36a-36e mounted on the periphery of a means 38 consisting of side-by-side assembly of 39a-39e disks.
  • Fixed blades 40a, 40d are mounted in the vein 42 between the blades of the blades.
  • the arrangement described above is conventional.
  • the improvement according to the invention can be applied to any disk, but preferably to those of the last stages, for example d and e, as shown.
  • FIG. 2 diagrammatically shows a conventional rotor disk 11, mainly comprising a rim 12 carrying outer blades (not shown), an annular web 13, also called a relatively thin "web” and an enlarged portion 14 in the form of a web. hub, as close as possible to the axis of rotation X.
  • such a rotor disk carrying a stage of moving blades is made of the same metal, for example a titanium alloy or a nickel alloy if the temperature reached at this level of the rotor justifies it.
  • a groove 16 is machined in said enlarged part 14.
  • the opening of this groove extends on a lateral surface perpendicular to the axis of rotation X.
  • this groove can be machined in a blank already provided with a recessed annular portion, the machining only having the effect of giving the groove its shape and its final dimensions corresponding to those of a composite ring 18 manufactured separately, as indicated above and consisting of a coil 19 of a silicon carbide wire embedded in a titanium alloy 21.
  • An annular plate 20 is further cut away; it is of the same metal as that of the disc. Its dimensions are chosen so that it can come close the groove 16 by adjusting along the inner and outer edges thereof.
  • the composite ring 18 is placed (FIG. 4) in the groove 16, possibly with the introduction of a brazing powder compatible with the metal of the disk and that of the matrix of the ring.
  • annular plate 20 is put in place to close the cavity and is fixed to said enlarged portion.
  • the annular plate can be fixed by means of a weld making use of a vacuum electron beam.

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Abstract

Rotor de turbomachine comprenant au moins un disque pourvu d'un anneau constitué par exemple d'une bobine de fil de carbure de silicium ou d'alumine enrobé de métal.
L'anneau composite (18) est logé dans une cavité annulaire close définie par exemple en usinant une gorge (16) dans une partie élargie (14) du disque et en la refermant par une plaque annulaire (20) après mise en place de l'anneau.

Description

  • L'invention se rapporte à un rotor de turbomachine constitué de plusieurs disques assemblés côte à côte coaxialement, chaque disque portant une série d'aubes réparties régulièrement circonférenciellement, au moins l'un de ces disques étant pourvu d'un anneau en matériau composite monté à sa partie radialement la plus interne. Elle concerne plus particulièrement un perfectionnement visant l'intégration d'un tel anneau.
  • Le document US 2003/0233822 décrit un rotor du genre mentionné ci-dessus comportant au moins un disque muni, à sa partie radialement la plus interne, d'un anneau composite. Un tel anneau peut par exemple être constitué d'un fil résistant bobiné (tel que du carbure de silicium) englobé dans une matrice métallique. Par exemple, il est connu de fabriquer un tel anneau en enrobant en continu un fil de carbure de silicium d'une enveloppe de titane et en formant une bobine à partir d'un tel fil enrobé.
  • Selon le document indiqué ci-dessus, différents types d'assemblage entre l'anneau et le disque sont envisagés. Certains impliquent de donner une forme particulière à la partie radialement la plus interne du disque, pour servir de socle à l'anneau, fixé latéralement. Dans tous les cas, le montage implique que le métal du disque et celui de la matrice de l'anneau soient identiques.
  • L'invention concerne un perfectionnement permettant une meilleure intégration de l'anneau à la structure du disque.
  • Plus particulièrement, l'invention concerne un rotor de turbomachine muni d'au moins un disque comprenant un anneau composite agencé à la partie radialement la plus interne du disque, caractérisé en ce que ledit anneau est logé dans une cavité annulaire close aménagée dans une partie élargie dudit disque, en forme de moyeu et en ce que ladite cavité annulaire est formée par une gorge annulaire usinée dans ladite partie élargie et refermée par une plaque métallique annulaire après mise en place dudit anneau. Un tel "moyeu" se trouve classiquement à la partie radialement la plus interne du disque.
  • L'invention vise aussi un disque de rotor, en tant que tel, ayant ces caractéristiques.
  • Cette intégration de l'anneau à l'intérieur du "moyeu" du disque est avantageuse car il n'est plus nécessaire que la matrice métallique de l'anneau soit du même métal que le disque.
  • En effet, pour de hautes températures, il est nécessaire de réaliser le disque dans un alliage à base de nickel. Par ailleurs, on ne peut envisager actuellement de réaliser l'anneau composite avec une matrice à base de nickel. L'invention permet notamment de surmonter cette difficulté puisqu'il suffit d'insérer l'anneau dans la cavité annulaire ménagée à cet effet et refermer celle-ci.
  • L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un disque de rotor métallique présentant une partie élargie en forme de moyeu, caractérisé en ce qu'il consiste
    • à creuser une gorge annulaire dans ladite partie élargie, ladite gorge étant centrée sur l'axe de rotation dudit disque et débouchant latéralement d'un côté de celui-ci,
    • à fabriquer séparément, de façon connue en soi, un anneau en matériau composite aux dimensions de ladite gorge,
    • à mettre en place ledit anneau dans ladite gorge ; et
    • à refermer ladite gorge au moyen d'une plaque métallique annulaire et à la fixer à ladite partie élargie.
  • Il est aussi possible de procéder à une brasure de l'anneau à l'intérieur de la gorge, au moyen d'un matériau de brasage approprié, compatible avec les deux métaux et se présentant par exemple sous forme de poudre. La poudre est introduite dans la cavité avec l'anneau et la brasure peut se faire automatiquement au cours d'une opération ultérieure de compactage isostatique à chaud dudit disque.
  • Pour ce qui concerne l'assemblage de la plaque annulaire, on peut de préférence souder cette plaque à ladite partie élargie. La soudure peut avantageusement être du type faisant usage d'un faisceau électronique sous-vide.
  • En ce qui concerne l'anneau lui-même, il pourra être réalisé sous forme d'une bobine d'un fil de carbure de silicium enrobé dans une base métallique. Cette base métallique est par exemple un alliage de titane. On peut aussi remplacer le fil de carbure de silicium par un fil d'alumine.
  • La fixation de la plaque annulaire peut être suivie d'une opération de compactage isostatique à chaud dudit disque. Entre autres avantages, ce traitement opère une distribution de contraintes dans la soudure entre ladite partie élargie et la plaque annulaire, ce qui améliore la fermeture de la gorge.
  • On termine la pièce par un usinage de finition classique.
  • A titre d'exemple, l'anneau en matériau composite peut être réalisé en bobinant un fil de carbure de silicium, en englobant ce fil dans un alliage à base de titane. L'alliage «TI6242» convient jusqu'à une température d'utilisation de l'ordre de 450°C.
  • La partie composite ainsi réalisée offre des caractéristiques mécaniques nettement supérieures à celles du matériau métallique de base. Cet anneau peut être intégré dans la cavité annulaire ménagée dans ladite partie élargie en forme de moyeu. Le disque peut être réalisé dans un alliage à base de nickel (INCO 718, par exemple).
  • L'invention permet de placer l'anneau composite le plus près possible de l'axe de rotation pour optimiser son efficacité. Comme l'anneau est placé à faible rayon, la température maximum atteint par celui-ci est inférieure à 300°C alors que la température de la jante (au niveau de la veine) est supérieure à 600°C.
  • Par exemple, on a pu comparer les caractéristiques obtenues avec l'invention pour la conception d'un disque de l'étage 5 d'un compresseur basse pression d'un turboréacteur, comprenant un anneau composite tel que décrit ci-dessus intégré dans une partie élargie en « INCO718 ». La masse du disque avec anneau composite est de 75 kg au lieu de 137 kg pour un disque entièrement métallique.
  • Plus généralement, il est possible d'installer un anneau composite à matrice X dans la cavité d'un disque d'une matière Y sous réserve de la compatibilité entre les matériaux. Si besoin une enveloppe en matériau Z, différente de X et Y, peut être intercalée autour de l'anneau composite pour assurer la compatibilité entre couples respectifs X-Z et Z-Y.
  • L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
    • la figure 1 est une demi coupe partielle d'un compresseur basse pression pour turboréacteur, comprenant un rotor selon l'invention ;
    • la figure 2 est une vue schématique en coupe radiale d'un disque de rotor susceptible de faire l'objet du perfectionnement selon l'invention ; et
    • les figures 3 à 5 illustrent trois étapes successives de mise en oeuvre du procédé selon l'invention.
  • La figure 1 illustre une partie d'un compresseur 30 comprenant un carter 32, un rotor 34 d'axe de rotation X-X, comportant cinq étages a - e d'aubes mobiles 36a-36e monté à la périphérie d'un moyen 38 constitué de l'assemblage côte à côte de disques 39a-39e.
  • Des aubes fixes 40a, 40d sont montées dans la veine 42 entre les étages d'aubes mobiles.
  • L'agencement décrit ci-dessus est classique. Le perfectionnement selon l'invention peut s'appliquer à n'importe quel disque, mais préférentiellement à ceux des derniers étages, par exemple d et e, comme représenté.
  • Sur la figure 2, on a représenté schématiquement un disque de rotor 11 classique, comprenant principalement une jante 12 portant extérieurement des aubes (non représentée), un voile annulaire 13, encore appelé "toile" relativement mince et une partie élargie 14 en forme de moyeu, se situant aussi près que possible de l'axe de rotation X.
  • Selon la technique classique, un tel disque de rotor portant un étage d'aubes mobiles est réalisé dans un même métal, par exemple un alliage de titane ou un alliage de nickel si la température atteinte à ce niveau du rotor le justifie.
  • C'est cette structure classique qui est modifiée conformément à l'invention pour y insérer un anneau composite, par exemple en SiC/Ti. Pour ce faire, on définit une cavité annulaire close dans la partie élargie 14.
  • Selon une première étape (figure 3) on usine une gorge 16 dans ladite partie élargie 14. L'ouverture de cette gorge s'étend sur une surface latérale perpendiculaire à l'axe de rotation X. Bien entendu, on peut usiner cette gorge dans une ébauche déjà pourvue d'une partie annulaire évidée, l'usinage n'ayant pour effet que de donner à la gorge sa forme et ses dimensions définitives correspondant à celles d'un anneau composite 18 fabriqué séparément, comme indiqué ci-dessus et consistant en un bobinage 19 d'un fil de carbure de silicium noyé dans un alliage 21 à base de titane.
  • Une plaque annulaire 20 est par ailleurs découpée ; elle est du même métal que celui du disque. Ses dimensions sont choisies pour qu'elle puisse venir refermer la gorge 16 en s'ajustant le long des bords intérieur et extérieur de celle-ci.
  • L'anneau composite 18 est placé (figure 4) dans la gorge 16, éventuellement avec introduction d'une poudre de brasage compatible avec le métal du disque et celui de la matrice de l'anneau.
  • Puis (figure 5) la plaque annulaire 20 est mise en place pour refermer la cavité et on procède à sa fixation à ladite partie élargie. Comme indiqué précédemment, on peut fixer la plaque annulaire au moyen d'une soudure faisant usage d'un faisceau électronique sous vide.
  • Les opérations peuvent être complétées par un compactage isostatique à chaud et un usinage final.

Claims (15)

  1. Rotor de turbomachine comportant au moins un disque (11) muni d'un anneau composite (18) agencé à la partie radialement la plus interne du disque, caractérisée en ce que ledit anneau est logé dans une cavité annulaire close aménagée dans une partie élargie (14) dudit disque, en forme de moyeu et en ce que ladite cavité annulaire est formée par une gorge annulaire (16) usinée dans ladite partie élargie et refermée par une plaque métallique annulaire (20) après mise en place dudit anneau.
  2. Rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit anneau (18) est constitué d'une bobine d'un fil de carbure de silicium enrobé de métal.
  3. Rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit anneau (18) est constitué d'une bobine d'un fil d'alumine enrobé de métal.
  4. Rotor selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit métal est un alliage à base de titane.
  5. Rotor selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit anneau (18) est brasé dans ladite gorge annulaire.
  6. Disque de rotor comportant un anneau composite (18) agencé à la partie radialement la plus interne du disque, caractérisé en ce que ledit anneau est logé dans une cavité annulaire close aménagée dans une partie élargie (14) dudit disque, en forme de moyeu et en ce que ladite cavité annulaire est formée par une gorge annulaire (16) usinée dans ladite partie élargie et refermée par une plaque métallique annulaire (20) après mise en place dudit anneau.
  7. Disque selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit anneau (18) est constitué d'une bobine d'un fil de carbure de silicium enrobé de métal.
  8. Disque selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit anneau (18) est constitué d'une bobine d'un fil d'alumine enrobé de métal.
  9. Disque selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que ledit métal est un alliage à base de titane.
  10. Disque selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que ledit anneau (18) est brasé dans ladite gorge annulaire.
  11. Procédé de réalisation d'un disque de rotor métallique présentant une partie élargie en forme de moyeu définie dans sa partie radialement la plus interne, caractérisé en ce qu'il consiste
    - à creuser une gorge annulaire (16) dans ladite partie élargie, ladite gorge étant centrée sur l'axe de rotation de ladite roue et débouchant latéralement d'un côté de celle-ci, à fabriquer séparément, de façon connue en soi, un anneau composite (18) aux dimensions de ladite gorge,
    - à mettre en place ledit anneau dans ladite gorge ; et
    - à refermer ladite gorge au moyen d'une plaque métallique annulaire (20) et à la fixer à ladite partie élargie.
  12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit anneau est brasé dans ladite cavité après sa mise en place dans celle-ci.
  13. Procédé selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que ladite plaque est assemblée à ladite partie élargie, par soudure.
  14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite soudure est du type faisant usage d'un faisceau électronique sous-vide.
  15. Procédé selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, après fixation de ladite plaque annulaire, une opération de compactage isostatique à chaud de ladite roue.
EP06116258.2A 2005-06-29 2006-06-28 Rotor de turbomachine comprenant au moins un disque renforce par un anneau composite Active EP1739282B1 (fr)

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