FR2501283A1 - Procede et dispositif pour verrouiller des pales de rotor sur un disque de rotor - Google Patents
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Abstract
LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UN PROCEDE ET DISPOSITIF POUR VERROUILLER DES PALES DE ROTOR SUR UN DISQUE DE ROTOR. L'ASSEMBLAGE DE ROTOR20 COMPREND UN DISQUE DE ROTOR36, AU MOINS DEUX PALES DE ROTOR42 ET UNE CHEVILLE DE VERROUILLAGE52 ECHANCREE. LA CHEVILLE DE VERROUILLAGE52 ECHANCREE COMPREND DES MOYENS D'ARRET54. LE DISQUE COMPREND UNE RAINURE40 ET CHAQUE PALE COMPREND UNE RAINURE48 POUR RECEVOIR LA CHEVILLE DE VERROUILLAGE52 ECHANCREE. PENDANT L'ASSEMBLAGE, LA CHEVILLE DE VERROUILLAGE52 EST ALIGNEE AVEC LES FENTES DE FIXATION44 DE LA PALE DANS LE DISQUE POUR PERMETTRE L'INSERTION DES PALES ET ON FAIT GLISSER LA CHEVILLE DE VERROUILLAGE DANS LES RAINURES,40, 48 POUR AMENER CHAQUE MOYEN D'ARRET54 DE LA CHEVILLE DE VERROUILLAGE EN ENGAGEMENT AVEC UNE RAINURE CORRESPONDANTE48 DANS UNE PALE DE ROTOR42. L'INVENTION EST PAR EXEMPLE UTILISABLE DANS LES MOTEURS A TURBINE A GAZ.
Description
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La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour verrouiller des pales de rotor sur un disque de rotor. L'invention est utilisable dans des machines rotatives à flux axial et plus précisément, elle concerne l'utilisation d'un dispositif de verrouillage unique pour maintenir une pluralité de pales de rotor sur un disque
de rotor.
Les principes ont été céveloppés dans l'industrie des moteurs à turbine à gaz pour verrouiller les pales de compresseur et de turbine aux rotors de ces moteurs, mais ont une possibilité d'application plus large dans des
assemblages de structures similaires.
Dans le domaine des moteurs à turbine à gaz, les assemblages de rotor sont typiquement formés de disques de rotor adjacents à partir desquels des pluralités de pales s'étendent radialement au travers d'un parcours de gaz d'un milieu de travail passant au travers du moteur. Un exemple d'un tel étage de rotor à pales est décrit dans le
brevet US numéro 3 807 898. Dans cet assemblage, une plurali-
té de plaques d'étanchéité s'étendent depuis le disque de
rotor vers chaque plate-forme de pale du rotor pour verrouil-
ler les pales en place pour empêcher leur mouvement dans la direction vers l'avant et vers l'arrière et pour bloquer les
fuites entre les plates-formes et le disque. Un autre dispo-
sitif de verrouillage est représenté dans le brevet US numéro 2 713 991. Dans cette construction, le dispositif de
verrouillage est un cylindre disposé circonférentiellement.
La pale du rotor a une lèvre en forme de L qui s'engagedcns 3t le cylindre de sorte que le cylindre présente deux plans de cisaillenientdans le fil pour résister au mouvement de la pale
dans une direction généralement axiale. Ces plans de cisail-
Lement sont représentées transversalement par rapport à l'a ae
longitudinal du cylindre.
Malgré la disponibilité des dispositifs de verrouilla-
ge ci-dessus, les scientifiques et les ingénieurs continuent à rechercher des dispositifs de verrouillage améliorés qui sont légers et qui bloquent les fuites de gaz du milieu de
travail entre la pale du rotor et le disque du rotor.
Selon la présente invention au moins deux pales de ro-
-2- tor d'un assemblage de rotor sont maintenues dans un disque
de rotor de façon à empêcher leur mouvement dans une direc-
tion vers l'avant et vers l'arrière au moyen d'une cheville échancrée qui peut à la fois être alignée pendant l'assem-
blage avec les fentes dans le disque pour permettre l'inser-
tion des pales du rotor dans les fentes du disque et peut ensuite glisser en engagement avec les pales du disque et
le disque pour piéger les pales sur le disque.
Selon un mode de réalisation spécifique de la présente invention, la cheville échancrée peut glisser le long d'une rainure dans le disque pour amener des moyens d'arrêt de la cheville échancrée en engagement avec des rainures alignées
de façon correspondante dans chacune des pales de rotor.
Une caractéristique principale de la présente invention est un disque de rotor adapté par des fentes de fixation de pales pour recevoir les pales de rotor. Le disque de
rotor comprend une rainure dans la périphérie du disque.
Chaque pale de rotor comprend une rainure qui fait face à la rainure dans e disque. Une autre caractéristique est une cheville de verrouillage échancrée. La cheville comprend des moyens d'arrêt dont chacun vient en engagement contre une pale de rotor correspondante. La cheville s'étend dans une
direction latéraleaV rversdu disque et de l'extrémité d'em-
planture de la pale. Dans un mode de réalisation, une pro-
jection radiale sur la pale du rotor relie la rainure à la pale du rotor. La cheville de verrouillage échancrée peut glisser le long des rainures dans la pale et dans le disque pendant l'assemblage. Selon un mode de réalisation, la
cheville de verrouillage échancrée est disposée dans la rai-
nure du disque, en alignement avec les fentes dans le dis-
que pour permettre l'insertion d'au moins deux pales de rotor, et peut glisser en engagement avec les pales de rotor
et le disque pour piéger les pales sur le disque.
Un avantage principal de la présente invention est la petite dimension du dispositif de verrouillage de la pale qui est permise pour résister au mouvement vers ltavant et vers l'arrière de la pale de rotor le long d'une section de cisaillement circonférentielle au travers du dispositif
de verrouillage par comparaison au dispositif de verrouilla-
-3- ge résistant au mouvement de la pale le long des plans de
cisaillement s'étendant dans une direction transversale.
Un autre avantage est le rendement du moteur qui résulte du blocage des fuites des gaz du milieu de travail au tra- vers du disque de rotor entre l'extrémité d'emplanture de la pale du rotor et le disque au moyen d'une cheville de verrouillage échancrée. Un autre avantage est le faible niveau des contraintes sur l'extrémité d'emplanture de la pale, ce qui est attribuable à l'engagement latéral de l'extrémité d'emplanture de la pale à l'interface pale/ disque. La facilité d'assemblage est accrue en empêchant le mouvement de la pale dans une direction vers l'avant et vers l'arrière avec une cheville de verrouillage qui est complètement accessible depuis un côté du disque. La facilité d'assemblage est, en outre, accrue en permettant à toutes les chevilles de verrouillage d'être disposées dans une rainure de disque avant l'insertion des pales du rotor et en permettant le mouvement de la cheville de verrouillage dans la rainure pendant et après l'installa1 Wn
des pales du rotor.
Pour que l'invention puisse être mieux comprise, référence est faite aux figures suivantes o: La figure 1 est une vue en coupe d'une partie d'une section de compresseur d'un moteur à turbine à gaz utilisant les principes de la présente invention; la figure 2 est une vue en coupe le long des lignes 2-2 de la figure 2; la figure 3 est une vue en perspective partiellement éclatée d'un étage de rotor de la figure 1; la figure 4 est une vue en perspective partielle de
l'étage de rotor de la figure 3 dans l'état assemblé.
Les principes de la présente invention sont illustrés
dans le compresseur d'un moteur à turbine a gaz.
La figure 1 montre une partie d'un compresseur 10.
Un parcours 12 des gaz du milieu de travail s'étend axiale-
ment au travers du compresseur. Le compresseur comprend un
assemblage de stator 14 et un assemblage de rotor 16.
L'assemblage de rotor possède un axe de rotation Ar et comprend un étage 18 de rotor en amont et un étage 20 de rotor en aval. L'étage de rotor en aval est axialement écarté de l'étage de rotor en amont en laissant entre ces étages à la fois une partie axiale du parcours du flux et une cavité à l'intérieur par rapport au passage du flux. L'assemblage de stator comprend une couronne d'aubes 22 de stator s'étendant au travers du passage du flux des gaz du milieu de travail qui divisent la partie axiale du
passage du flux en une région 24 en amont ayant une pre-
mière pression et un région 26 en aval ayant une pression
supérieure à la première pression. Une bande de renforce-
ment 30 des aubes vient en engagement avec le profil d'ex-
trémité de chaque aube et s'étend circonférentiellement pour diviser la cavité entre les étages du rotor en une cavité en amont 32 et une cavité en aval 34. La cavité en amont est en communication fluide avec la cavité en aval. L'étage de rotor 20 en aval comprend un disque 36 ayant une périphérie telle que la ceinture 38 qui s'étend circonférentiellement autour du disque. La périphérie du disque de rotor comprend une rainure 40 s'étendant dans une direction généralement circonférentielle (latérale)
et orientée dans une direction généralement vers l'exté-
rieur. L'assemblage de rotor comprend une pluralité de pales de rotor telles que la pale de rotor 42 unique s'étendant vers l'extérieur au travers du parcours du flux du milieu de travail. La ceinture 38 est adaptée pour recevoir les pales du rotor dans une pluralité de fentes de fixation des pales représentées par la fente unique 44 de fixation dûs pales. Ces fentes s'étendent dans une direction généralement axiale. Chaque pale de rotor comprend une extrémité d'emplanture 46 qui est adaptée pour se conformer à une fente de fixation de pale correspondante. L'extrémité d'emplanture a une rainure 48. La rainure dans l'extrémité d'emplanture est orientée pour faire face à la rainure dans le disque lorsque la pale est installée. Une projection radiale 50 sur l'extrémité d'emplanture s'étend à la fois axialement et radialement pour relier la rainure à la pale
et est adjacente aux gaz du milieu de travail dans la cavi-
té 34 à haute pression en aval. Une cheville de verrouilla-
-5- ge 52 échancrée s'étendant à la fois dans la rainure du disque et dans la rainure correspondante de la pale est en
engagement avec le disque et la pale.
La figure 2 est une vue en coupe agrandie prise le long des lignes 2-2 de la figure 2 et montre deux chevilles 52 de verrouillage échancrées écartées l'une de l'autre d'une distance D. Chaque cheville a un axe longitudinal L. La cheville a une légère courbure et s'étend latéralement dans la rainure circonférentielle 40 du disque 36. La cheville comporte des moyens d'arrêt radiaux 54. Chaque moyen d'arrêt radial s'étend dans une rainure correspondante 48 dans une pale de rotor 42. Les moyens d'arrêt sur chaque cheville sont écartés circonférentiellement l'un de l'autre en laissant une distance circonférentielle Dr' entr'eux à un rayon R du centre du disque. La fente de fixation de la pale a une largeur circonférentielle Dr" au rayon R depuis le centre du disque. La distance Dr' est supérieure ou égale à
la distance Dr" (Dr' t Dr").
La figure 3 est une vue en perspective partiellement explosée d'un disque de rotor 36, d'une pale de rotor 42 et d'une cheville de verrouillage échancrée 52. Dans ce mode de réalisation particulier, la distance circonférentielle Dr' entre les moyens d'arrêt radiaux 54 sur chaque cheville est supérieure à la largeur circonférentielle Dr" de la fente de fixation de la pale. Les traits interrompus montrent
la cheville de verrouillage échancrée disposée dans la rainu-
re 40 du disque et en alignement avec ce disque pour permettre
l'assemblage des pales du rotor 42.
Ld figure 4 est une vue en perspective partielle du dis-
que du rotor 36, de la pale de rotor 42 et de la cheville
de verrouillage 52 échancrée en position assemblée.
Pendant l'assemblage, la cheville 52 de verrouillage échancrée et la couronne de pales 42 de rotor sont installées dans la ceinture du disque de rotor 36. Comme il est montré, par les traits interrompus dans la figure 3, la cheville échancrée est d'abord alignée dans le disque avec les fentes 44 du disque, pour permettre l'insertion des pales de rotor correspondantes dans une direction généralement axiale. Dans cette position, les moyens d'arrêt radiaux sur la cheville de verrouillage échancrée, sont alignés avec les parties correspondantes du disque s'étendant entre les fentes de fixation de pales adjacentes. Quand les pales sont insérées dans le disque, chaque pale passe par les moyens d'arrêt
adjacents et engage une fente de fixation de pales 44 corres-
pondante dans le disque. La cheville échancrée peut coulisser
en engagement avec les pales de rotor et le disque pour pié-
ger les pales sur le disque. Comme il est montré dans les figures 2 et 4, cet engagement est réalisé en faisant glisser la cheville de verrouillage échancrée le long de la rainure
dans le disque pour amener les moyens d'arrêt de la che-
ville échancrée en engagement avec les rainures alignées correspondantes dans chacune des pales de rotor. La cheville
de verrouillage échancrée est capable de coulisser circonfé-
rentiellement le long de la rainure 40 dans le disque et les rainures 48 dans les pales pour aider à l'installation et l'alignement d'autres chevilles de verrouillage lorsque des pales supplémentaires sont installées dans le disque. Grâce à cette propriété d'être capable de glisser et à l'orientatin de la rainure du disque, les chevilles adjacentes peuvent être inetallées en butant l'une contre l'autre. Dans un tel cas, la distance D entre les chevilles de verrouillage est zéro. Comme il est montré dans la figure 4, la cheville de
verrouillage est fixée pour empêcher son mouvement circonfé-
rentiel en pliant chaque extrémité de la cheville dans la direction radiale, de préférence vers l'extérieur. Comme on le comprendra, d'autres moyens mécaniques fixant la cheville peuvent être utilisés. En outre, les chevilles peuvent être
fixées en place par soudage et brasage.
Pendant le fonctionnement du moteur à turbine à gaz, les gaz du milieu de travail passent au travers de la section de compresseur 10, le long du passage 12 du flux. Lorsque les gaz passent au travers du compresseur le long du passage du flux, ces gaz tendent à se recirculer depuis la cavité 34 à haute pression au travers des joints en lame sur la bande de renforcement des aubes 30 vers la cavité 32 à basse pression. Le flux en recirculation diminue le rendement du compresseur. Les projections radiales 50 à la base de chaque
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-7- pale de rotor provoquent un pompage des gaz du milieu de travail dans une direction opposée à la circulation du flux en recirculation, réduisant le flux en recirculation et diminuant la perte du rendement dans le compresseur. Lorsque les gaz sont pompés axialement le long du passage 12 du flux au travers de l'étage du rotor 20 du compresseur, les gaz exercent une force soit dans la direction en amont (vers l'avant) pendant le fonctionnement normal, soit dans la direction en aval (vers l'arrière) ainsi que cela peut se produire pendart le pompage. La cheville de verrouillage 52 échancrée à la fois vient en
engagement avec la pale et le disque de sorte que le mouve-
ment de la pale à la fois dans la direction en aval et dans la direction en arrière est empêchée par la force de cisaillement de la cheville agissant le long d'une section de cisaillement telle un plan longitudinal ou une section circonférentielle dans la cheville. La cheville 52 présente
une aire de cisaillement plus grande aux forces de cisail-
lement que les chevilles qui résistent au mouvement vers l'avant et vers l'arrière de la pale avec une force de cisaillement développée dans la cheville le long d'un plan perpendiculaire à la section circonférentielle. Une chevifle 52 à diamètre plus petit peut être utilisée pour retenir la pale contr'une force donnée par comparaison à ces chevilles à cisaillement transversal réduisant le poids de l'assemblage et les pertes aérodynamiques associées aux
moyens pour retenir la cheville.
Plusieurs avantages résultent de la disposition spécifi-
que de la cheville par rapport au disque et de la pale, coiiune il est décrit. La cheville vient en engagement avec la section d'emplanture de la pale et le disque à la base de la pale. Les contraintes de la pale sont faibles dans cette région par comparaison aux contraintes dans la pale qui résultent d'un engagement de la pale radialement vers l'extérieur de ce point o la largeur circonférentielle de la pale est plus petite qu'à la région de la base. En outre, la cheville échancrée agit pour bloquer la fuite des gaz du milieu de travail au travers de la fente de fixation de la pale autour du disque. En outre, le design -8-
permet l'accès à la rainure du disque pendant la fabrica-
tion pour permettre de finir les bords du disque afin de réduire les concentrations de contraintes au bord de la fente de fixation de la pale.
Ainsi qu'on le comprendra, la forme en section trans-
versale de la cheville est circulaire, comme le sont
les rainures, ce qui réduit les concentratl*ns des con-
traintes dans le disque et la pale. D'autres formes en section transversale peuvent être utilisées et sont
considérées comme faisant partie des limites de la présen-
te invention.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au procédé et dispositif qui viennent d'être décrits uniquement a titre d'exemples
non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention.
-9-
Claims (3)
1. Machine rotative à flux axial du tyne comprenant un assemblage de rotor qui comporte un disque comprenant au moins deux fentes s'étendant dans une direction généralement axiale, chaque fente adaptant le disque à recevoir une pale
de rotor correspondante, caractérisée par le perfectionne-
ment consistant en: un disque de rotor (36) comprenant une rainure (40)
s'étendant dans une direction généralement circonférentiel-
le et orientée généralement vers l'extérieur; au moins deux pales de rotor (42) comprenant chacune une section d'emplanture (46), chaque section d'emplanture
(46) comprenant une rainure (48) s'étendant dans une direc-
tion généralement circonférentielle, orientée vers la rai-
nure (40) du disque et en alignement avec celle-ci, au moins une cheville de verrouillage (52) échancrée pour venir en engagement à la fois avec le disque de rotor (36) et au
moins deux pales de rotor (42), chaque cheville de verrouil-
lage (52) s'étendant circonferentiellement dans la rainure (40) du disque (36) pour venir en engagement avec le disque
(36) et comprenant au moins deux moyens d'arrêt (54) ra-
diaux, chaque moyen d'arrêt (54) s'étendant radialement dans une rainure (48) dans la section d'emplanture (46) d'une pale (42), correspondante pour piéger la pale de rotor (42) et empêcher son mouvement vers l'avant et vers l'arrière
par rapport au disque (36).
2. Machine rotative selon la revendication 1, carac-
térisée en ce que les moyens d'arrêt (54) s'étendent laté-
ralement depuis un côté de la cheville et sont écartés l'un de l'autre d'une distance supérieure à la largeur W.
3. Procédé pour installer des pales de rotor sur un disque de rotor d'une machine rotative selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à: disposer une cheville de verrouillage (52) échancree en engagement axial avec la piriphérie (38) d'un disque de rotor (36) en installant la cheville (52) dans une rainure (40) orientée vers l'extérieur; aligner la cheville échancrée (52) avec les fentes (44) dans le disque (36) pour permettre l'insertion d'au
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moins deux pales de rotor (42) dans une direction generale-
ment axiale, chacune dans une fente de fixation de pale (44) correspondante dans le disque (36); insérer ces pales de rotor (42) dans la fente de fixa- tion de pale (44) de telle façon qu'une rainure (48) dans
chaque pale de rotor (42) soit axialement alignée avec cet-
te rainure (40) dans le disque (36) et soit orientée vers celle-ci;
faire glisser la cheville de verrouillage (52) échan-
crée le long de la rainure (40) dans le disque (36) pour ramener les moyens d'arrêt (54) de la cheville échancrée (52) en engagement avec les rainures (48) alignées de façon correspondante de chacune des pales de rotor (42); et bloquer la cheville de verrouillage (52) pour emoêcher
un mouvement circonférentiel.
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