EP2075412B1 - Dispositif de fixation par boulonnage d'aubes à une virole d'étage de stator d'une turbomachine et procédé associé de fixation par boulonnage - Google Patents

Dispositif de fixation par boulonnage d'aubes à une virole d'étage de stator d'une turbomachine et procédé associé de fixation par boulonnage Download PDF

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EP2075412B1
EP2075412B1 EP20070124067 EP07124067A EP2075412B1 EP 2075412 B1 EP2075412 B1 EP 2075412B1 EP 20070124067 EP20070124067 EP 20070124067 EP 07124067 A EP07124067 A EP 07124067A EP 2075412 B1 EP2075412 B1 EP 2075412B1
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blade
stator stage
bolting
shoulder
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André Lhoest
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Techspace Aero SA
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    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F01D25/246—Fastening of diaphragms or stator-rings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D29/54—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
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    • F05D2300/501—Elasticity

Definitions

  • the invention relates to the field of parts forming the stator of turbomachines and more particularly turbojets.
  • turbomachine stator stages and the axial compression stator of turbojet engines.
  • It relates to a device and a method of fastening by bolting blades on the ferrules forming part of the constitution of this type of stages.
  • the object of the invention is to propose another solution for fixing vanes on a ferrule which makes it possible to obtain an angular setting of the blades that are precise and at a lower cost.
  • the invention relates to a stator stage according to claim 1.
  • This comprises at least one ferrule and a plurality of blades fixed by bolting to the ferrule and whose platform portion is housed in a groove of the ferrule.
  • ferrule wherein the platform comprises at least one shoulder, a material element compressible being, in the compressed state at least in part, bearing against this shoulder and against the groove of the ferrule.
  • an additional element of compressible material is implanted whose location is forced by the shoulder and which is compressed during the bolting of the blade to the shell.
  • the systematic setting of the stator vanes is made during the tightening of the bolt / nut system between the blade and the ferrule.
  • the element increases the manufacturing tolerances of the blade and the ferrule.
  • the platforms of the blades and the bearing faces in the groove of the shell can be machined with tolerances large enough not to penalize their manufacturing cost.
  • the element of compressible material according to the invention thus provides a guarantee, only by chain of ribs, the wedging of the blades in the required tolerance range. Correction of the wedging or the incidence of the blades are therefore no longer to be achieved later bolting as in the prior art.
  • shoulder it is understood in the context of the invention, a sudden change in dimensions of the upper face of the platform of the blade opposite the shell with the function of serving as a support surface for the element made of compressible material. It may therefore be for example a groove, that is to say a long cut on the part of the platform facing the ferrule. It can also be a chamfer on one of the edges of the platform opposite the ferrule.
  • the shell to which the blade is fixed by bolting is preferably the outer shell of the floor.
  • the stage may comprise an element of continuous compressible material on the entire periphery of the stage. It may also comprise elements of discontinuous compressible material on the entire periphery of the stage. According to this variant of the discontinuous elements, each element of compressible material is of length at most equal to the circumferential width of the platform.
  • the element of compressible material may comprise a generally toroidal piece and circular section in the uncompressed state.
  • the compressible material may advantageously be chosen from elastomeric materials, silicone. It may be a VITON® type rubber. For example, they may be seal-type elements currently used in turbojet engines in low-pressure compressors at drum grooves.
  • the shoulder according to the invention can be made on part of the height of the platform.
  • the shoulder may comprise a wall inclined at an angle of between 30 and 45 ° with respect to the axis of the blade.
  • a stator stage particularly targeted by the invention is a compressor rectifier stage of a turbojet engine.
  • the invention also relates to a turbomachine comprising at least one stator stage described above.
  • a plurality of blades is fixed according to steps a) to d) and a single element of continuous compressible material is inserted over the entire periphery of the stage.
  • step c) can be carried out before step b).
  • the compressor straightener stage of a turbojet comprises a plurality of blades 1 attached to an outer shell 2 and an inner shell not shown here.
  • Each blade 1 comprises a central blade portion 10 and a platform portion 11 whose inner face 110 provides the definition of the aerodynamic stream.
  • the outer shell 2 is a one-piece piece in the form of an annular ring whose inner face 20 is machined hollow forming a groove so that the platforms 11 of the blades 1 can fit into it.
  • the blades 1 are all fixed by bolting to the outer shell 2 by means of bolts whose threaded rod 12 is an integral part of each blade 1.
  • an additional element 3 of compressible material is added according to the invention before bolting the blade 1.
  • the location of this element 3 is forced by the shoulder 111 made in the platform 11.
  • the shoulder 111 is made by machining and comprises two walls 111a, 111b.
  • One of the walls 111a makes an angle of between 30 and 45 ° with the axis X of the blade 1 and the other of the walls 111b is substantially parallel to the upper face 112 of the platform 11, that is to say that facing the groove 20 of the ferrule 2.
  • a single element of compressible material 3 continuous over the entire periphery of the stage is inserted ( figure 1 ).
  • the compressibility level of the material of the element 3 is variable and depends on the desired tolerances. Thus, for accuracy on the given angular setting, the more the mounting clearance between the platform of the other and the throat of the shell is accurate, the less the material used 3 must be compressible and the less effort to apply to the bolting of dawn must be important.
  • the element 3 is in the partially compressed state against both the walls 111a, 111b of the shoulder 11 and against the groove 20 of the shell 2.
  • the height h of the shoulder 111 corresponds to a portion of the height H of the platform 11 of the blade.
  • the element 3 used is advantageously a VITON® type generally circular O-ring type gasket whose length substantially corresponds to the peripheral length of the groove 20 of the shell 2.
  • the possible materials for the element 3 can also be either elastomeric materials or silicone.
  • the machining tolerances according to the fastening techniques of the prior art are of the order of X / 100 th on the platform widths and the ferrule groove in order to meet the required tolerance on the angular setting of the blades. Thanks to the invention, it is quite possible to double these tolerances, that is to say to perform machining with tolerances of the order of 2X / 100 eme while maintaining the same tolerance required on calibration angular blades.

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Description

    DOMAINE TECHNIQUE
  • L'invention concerne le domaine des parties formant le stator des turbomachines et plus particulièrement des turboréacteurs.
  • Elle concerne en particulier les étages de stator de turbomachines, et de redresseur de compression axial de turboréacteurs.
  • Elle a trait à un dispositif et un procédé de fixation par boulonnage d'aubes sur les viroles rentrant dans la constitution de ce type d'étages.
    • ART ANTÉRIEUR
  • Actuellement, une des solutions employées pour fixer une aube à une virole d'étage de stator de turboréacteur consiste à réaliser un boulonnage de l'aube à la virole, voir par example US 2622790 .
  • Sous l'effet du couple de serrage du boulon de l'aube, celle-ci est susceptible de tourner dans son logement, c'est-à-dire dans une gorge ménagée dans la virole qui a une forme géométrique complémentaire avec la partie formant plateforme de l'aube. L'aube tourne jusqu'à ce qu'elle ait trouvée sa butée mécanique avec les bords de la gorge. Ainsi, il faut garantir le positionnement angulaire ou calage de l'aube. Actuellement, cela est fait lors du process, ce qui implique nécessairement une étape de contrôle ultérieure à la fixation.
  • Pour éliminer cette étape ultérieure de contrôle de calage, une solution pourrait consister à définir des tolérances de fabrication sévères entre les formes complémentaires, i.e. celles de la plateforme et celles de la gorge de la virole, de façon à maintenir la somme de ces tolérances de fabrication dans les limites de l'exigence du calage nominal. Cette solution aurait inévitablement pour conséquence une augmentation du prix unitaire de fabrication des aubes et de la virole et un risque de dérogations voire de rebuts des pièces ainsi fabriquées. Dans le domaine de l'aéronautique, une dérogation (autorisation écrite d'utiliser ou de livrer un produit non conforme aux exigences spécifiées) implique nécessairement des complications telles que traitement administratif supplémentaire, vérifications techniques complémentaires par calcul ou par analyse.
  • Le but de l'invention est de proposer une autre solution de fixation d'aubes sur une virole qui permette d'obtenir un calage angulaire des aubes précis et à moindre coût.
    • EXPOSÉ DE L'INVENTION
  • A cet effet, l'invention concerne un étage de stator selon la revendication 1. Celui-ci comprend au moins une virole et une pluralité d'aubes fixées par boulonnage à la virole et dont la partie formant plateforme est logée dans une gorge de la virole, dans lequel la plateforme comprend au moins un épaulement, un élément en matériau compressible étant, à l'état compressé au moins en partie, en appui contre cet épaulement et contre la gorge de la virole.
  • Selon l'invention, on implante un élément supplémentaire en matériau compressible dont la localisation est forcée par l'épaulement et qui se comprime lors du boulonnage de l'aube à la virole. En se comprimant ainsi, l'élément reprend le jeu au montage entre la plateforme de l'aube et la virole et empêche ainsi tout pivotement de l'aube dans la gorge de la virole.
  • En d'autres termes, le calage systématique des aubes de stator est réalisé lors du serrage du système boulon/écrou entre l'aube et la virole. Par sa capacité intrinsèque à se comprimer, l'élément permet d'augmenter les tolérances de fabrication de l'aube et de la virole. Autrement dit, les plateformes des aubes ainsi que les faces d'appui dans la gorge de la virole peuvent être usinées avec des tolérances suffisamment larges pour ne pas pénaliser leur coût de fabrication.
  • L'élément en matériau compressible selon l'invention apporte ainsi une garantie, uniquement par chaîne de côtes, du calage des aubes dans la gamme de tolérance requise. La correction du calage ou l'incidence des aubes ne sont donc plus à réaliser ultérieurement au boulonnage comme dans l'art antérieur.
  • L'élément en matériau compressible ne servant que lors de la fixation de l'aube à la virole, sa durée de vie n'a que peu d'importance eu égard à la turbomachine dans laquelle l'étage de stator est intégré.
  • Par « épaulement », il faut comprendre dans le cadre de l'invention, un changement brusque de dimensions de la face supérieure de la plateforme de l'aube en regard de la virole avec pour fonction de servir de surface d'appui à l'élément en matériau compressible. Il peut donc s'agir par exemple d'une rainure, c'est-à-dire une entaille longue sur la partie de la plateforme en regard de la virole. Il peut également s'agir d'un chanfrein sur l'une des arêtes de la plateforme en regard de la virole.
  • La virole à laquelle l'aube est fixée par boulonnage est de préférence la virole extérieure de l'étage.
  • L'étage peut comprendre un élément en matériau compressible continu sur toute la périphérie de l'étage. Il peut également comprendre des éléments en matériau compressible discontinus sur toute la périphérie de l'étage. Selon cette variante des éléments discontinus, chaque élément en matériau compressible est de longueur au plus égale à la largeur circonférentielle de la plateforme.
  • L'élément en matériau compressible peut comprendre une pièce de forme générale torique et à section circulaire, à l'état non compressé. Le matériau compressible peut être avantageusement choisi parmi les matériaux élastomères, le silicone. Il peut s'agir d'un caoutchouc de type VITON®. Il peut par exemple s'agir d'éléments de type joint d'étanchéité utilisé actuellement dans les turboréacteurs dans les compresseurs de type basse pression au niveau des gorges du tambour.
  • L'épaulement selon l'invention peut être réalisé sur une partie de la hauteur de la plateforme.
  • L'épaulement peut comprendre une paroi inclinée selon un angle compris entre 30 et 45° par rapport à l'axe de l'aube.
  • Un étage de stator particulièrement visé par l'invention est un étage de redresseur de compresseur d'un turboréacteur.
  • L'invention concerne également une turbomachine comprenant au moins un étage de stator décrit précédemment.
  • L'invention concerne enfin un procédé de fixation d'au moins une aube à une virole d'étage de stator selon la revendication 14, et dans lequel on réalise les étapes de :
    1. a) réalisation d'un épaulement dans une plateforme d'une aube,
    2. b) logement de la plateforme de l'aube dans une gorge de la virole,
    3. c) insertion d'un élément en matériau compressible et de hauteur, à l'état non compressé, supérieure à celle de l'épaulement entre la plateforme et la gorge,
    4. d) boulonnage de l'aube à la virole.
  • Selon un mode de réalisation avantageux, on fixe une pluralité d'aubes selon les étapes a) à d) et on insère un unique élément en matériau compressible continu sur toute la périphérie de l'étage.
  • On peut réaliser avantageusement l'étape c) avant l'étape b).
    • BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
  • D'autres caractéristiques et avantages ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée faite en référence aux figures 1 et 2 annexées.
    • La figure 1 est une vue en perspective d'un étage de stator selon l'invention, montrant la fixation de plusieurs aubes consécutives à la virole extérieure.
    • La figure 2 est une vue de coupe partielle d'un étage de stator selon la figure 1, montrant la fixation d'une des aubes à la virole extérieure.
    EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
  • Tel que représenté en figure 1, l'étage de redresseur de compresseur d'un turboréacteur comprend une pluralité d'aubes 1 fixées à une virole extérieure 2 et une virole intérieure non représentée ici.
  • Chaque aube 1 comprend une partie centrale formant pale 10 et une partie formant plateforme 11 dont la face interne 110 assure la définition de la veine aérodynamique.
  • La virole extérieure 2 est une pièce monobloc sous la forme d'une couronne annulaire dont la face interne 20 est usinée en creux en formant une gorge de telle sorte que les plateformes 11 des aubes 1 peuvent s'y emboîter.
  • Les aubes 1 sont toutes fixées par boulonnage à la virole extérieure 2 par l'intermédiaire de boulons dont la tige filetée 12 fait partie intégrante de chaque aube 1.
  • Pour éviter à la plateforme 11 de l'aube 1 de pivoter dans la gorge 20 de la virole lors du serrage à la virole 2, on ajoute selon l'invention un élément supplémentaire 3 en matériau compressible avant le boulonnage de l'aube 1. La localisation de cet élément 3 est forcée par l'épaulement 111 réalisé dans la plateforme 11. Tel qu'illustré, l'épaulement 111 est réalisé par usinage et comprend deux parois 111a, 111b. Une des parois 111a fait un angle compris entre 30 et 45° avec l'axe X de l'aube 1 et l'autre des parois 111b est sensiblement parallèle à la face supérieure 112 de la plateforme 11, c'est-à-dire celle en regard avec la gorge 20 de la virole 2.
  • Dans le mode de réalisation illustré, un seul élément en matériau compressible 3 continu sur toute la périphérie de l'étage est inséré (figure 1). Le niveau de compressibilité du matériau de l'élément 3 est variable et dépend des tolérances recherchées. Ainsi, pour une précision sur le calage angulaire donnée, plus le jeu de montage entre la plateforme de l'autre et la gorge de la virole est précis, moins le matériau utilisé 3 doit être compressible et moins l'effort à appliquer au boulonnage de l'aube doit être important.
  • Ainsi, dans le mode de réalisation illustré, on réalise les étapes dans l'ordre successif suivant :
    • réalisation des épaulements 111a, 111b dans les plateformes 11 des aubes 1,
    • insertion de l'élément en matériau compressible 3 et de hauteur, à l'état non compressé, supérieure à celle h de l'épaulement, entre chaque plateforme et la gorge,
    • logement des plateformes 11 d'aubes 1 dans la gorge 20 de la virole 2,
    • boulonnage des aubes 1 à la virole 2.
  • Une fois le boulonnage effectué, l'élément 3 est à l'état compressé partiellement à la fois contre les parois 111a, 111b de l'épaulement 11 et contre la gorge 20 de la virole 2.
  • Dans le mode de réalisation illustré, la hauteur h de l'épaulement 111 correspond à une partie de la hauteur H de la plateforme 11 de l'aube.
  • L'élément 3 utilisé est avantageusement un joint de forme générale torique en caoutchouc de type VITON®, à section circulaire dont la longueur correspond sensiblement à la longueur périphérique de la gorge 20 de la virole 2. Les matériaux possibles pour l'élément 3 peuvent être également soit des matières élastomères, soit du silicone.
  • L'invention qui vient d'être décrite présente de nombreux avantages :
    • l'élément en matériau compressible remplissant l'espace entre la plateforme d'aube et la virole, aucun pivotement de l'aube ne peut se produire lors du serrage,
    • l'insertion de l'élément en matériau compressible protège la virole d'une blessure par le coin de la plateforme d'aube lors du serrage, c'est-à-dire qu'elle empêche la dégradation superficielle de la virole,
    • la localisation de l'élément en matériau compressible entre la plateforme d'aube et la virole implique que l'élément ne peut jamais se trouver dans la veine aérodynamique de l'étage de stator,
    • les tolérances d'usinage de la plateforme d'aube et de la gorge de virole peuvent être obtenues par des technologies largement disponibles et sans coût élevé voire prohibitif.
  • Pour ce dernier avantage, il est à noter que pour une plateforme 11 de largeur axiale L typiquement de l'ordre de 50mm et de largeur circonférentielle 1 de l'ordre de 30mm, les tolérances d'usinage selon les techniques de fixation de l'art antérieur sont de l'ordre de X/100ème sur les largeurs de plateforme et de la gorge de virole afin de respecter la tolérance requise sur le calage angulaire des aubes. Grâce à l'invention, il est tout à fait envisageable de doubler ces tolérances, c'est-à-dire de réaliser des usinages avec des tolérances de l'ordre de 2X/100eme tout en conservant la même tolérance requise sur le calage angulaire des aubes.

Claims (16)

  1. Etage de stator comprenant au moins une virole (2) et, une pluralité d'aubes (1) fixées par boulonnage de la tige filetée qui fait partie intégrante de chaque aube à la virole et dont la partie formant plateforme (11) est logée dans une gorge (20) de la virole (2), caractérisé en ce que la plateforme (11) comprend au moins un épaulement (111, 111a, 111b), un élément en matériau compressible (3) étant, à l'état compressé au moins en partie, en appui contre cet épaulement (111, 111a, 111b) et contre la gorge (20) de la virole (2), dans lequel l'élément qui se comprime lors du boulonnage reprend du jeu au montage entre la plateforme de l'aube et la virole permettant de réaliser un calage systématique des aubes.
  2. Etage de stator selon la revendication 1, dans lequel la virole à laquelle l'aube est fixée par boulonnage est la virole extérieure de l'étage.
  3. Etage de stator selon la revendication 1 ou 2, comprenant un élément en matériau compressible continu sur toute la périphérie de l'étage.
  4. Etage de stator selon la revendication 1 ou 2, comprenant des éléments en matériau compressible discontinus sur toute la périphérie de l'étage.
  5. Etage de stator selon la revendication 4, comprenant un élément en matériau compressible contre chaque plateforme, l'élément en matériau compressible étant de longueur au plus égale à la largeur circonférentielle de la plateforme.
  6. Etage de stator selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'élément comprend une pièce de forme générale torique et à section circulaire, à l'état non compressé.
  7. Etage de stator selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau compressible est choisi parmi les matériaux élastomères, le silicone, le viton®.
  8. Etage de stator selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'épaulement (11, 111a, 111b) est réalisé sur une partie de la hauteur (H) de la plateforme (11).
  9. Etage de stator selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'épaulement est constitué par un chanfrein.
  10. Etage de stator selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel l'épaulement est constitué par une rainure.
  11. Etage de stator selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'épaulement comprend une paroi inclinée (111a) selon un angle compris entre 30 et 45° par rapport à l'axe X de l'aube.
  12. Etage de stator selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 constituant un étage de redresseur de compresseur d'un turboréacteur.
  13. Turbomachine comprenant au moins un étage de stator selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.
  14. Procédé de fixation d'au moins une aube (1) à une virole (2) d'étage de stator dans lequel on réalise les étapes de :
    a) réalisation d'un épaulement (11, 111a, 111b) dans une plateforme (11) d'une aube (1),
    b) logement de la plateforme (11) de l'aube dans une gorge (20) de la virole (2),
    c) insertion d'un élément en matériau compressible (3) et de hauteur, à l'état non compressé, supérieure à celle (h) de l'épaulement (11), entre la plateforme et la gorge,
    d) boulonnage de la tige filetée qui fait partie intégrante de chaque aube à la virole, dans lequel l'élément qui se comprime lors du boulonnage reprend du jeu au montage entre la plateforme de l'aube et la virole permettant de réaliser un calage systématique des aubes.
  15. Procédé selon la revendication 14, dans lequel on fixe une pluralité d'aubes selon les étapes a) à d) et dans lequel on insère un unique élément en matériau compressible continu sur toute la périphérie de l'étage.
  16. Procédé selon la revendication 14 ou 15, dans lequel on réalise l'étape c) avant l'étape b).
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