FR2602266A1

FR2602266A1 - Ensemble de rotor de turbomoteur a gaz

Info

Publication number: FR2602266A1
Application number: FR8710785A
Authority: FR
Inventors: Rodney George Wing
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1986-08-01
Filing date: 1987-07-30
Publication date: 1988-02-05
Anticipated expiration: 2007-07-30
Also published as: JPH0723681B2; FR2602266B1; GB8618786D0; DE3725132C2; JPS6338604A; GB2193125A; DE3725132A1; GB2193125B; US4796343A

Abstract

CE PROCEDE CONCERNE LA FABRICATION D'UN ENSEMBLE DE ROTOR COMPORTANT UN DISQUE MUNI D'UNE BRIDE ANNULAIRE EXTERIEURE ET UN ENSEMBLE ANNULAIRE DE PALES MUNI D'UNE BRIDE ANNULAIRE INTERIEURE. SUIVANT CE PROCEDE, LES BRIDES 12, 13, 15, 16 DE L'ENSEMBLE DE PALES 11 ET DU DISQUE 14 SONT MUNIES DE DEUX RAINURES CIRCONFERENTIELLES ESPACEES QUI COOPERENT POUR DEFINIR DEUX CHAMBRES FERMEES ESPACEES 18, 19 S'ETENDANT CIRCONFERENTIELLEMENT A L'INTERFACE ENTRE LES BRIDES 12, 13, 15, 16 ET IL EST PREVU DES ETAPES DE SCELLEMENT DE L'INTERFACE D'ASSEMBLAGE A UN ENDROIT COMPRIS ENTRE LA PREMIERE CHAMBRE 18 ET L'EXTREMITE LIBRE DES BRIDES 12, 13, 15, 16, PUIS DE COMPRESSION ISOSTATIQUE A CHAUD DE L'UNITE AINSI OBTENUE, POUR OBTENIR AINSI UNE LIAISON PAR DIFFUSION ENTRE L'ENSEMBLE DE PALES 11 ET LE DISQUE 14 ET ENTRE LES BRIDES 12, 13, 15, 16 DE L'ENSEMBLE DE PALES 11 ET DU DISQUE 14, ET ENGENDRER L'"ECRASEMENT" OU ENCORE L'EFFONDREMENT DE LA DEUXIEME CHAMBRE 19, CE QUI FOURNIT UNE INDICATION VISUELLE DE LA REUSSITE DE LA LIAISON PAR DIFFUSION.

Description

ENSEMBLE DE ROTOR DE TURBOMOTEUR A GAZ

La présente invention concerne un ensemble de rotor

de turbomoteur à gaz, et en particulier un procédé de fabrication d'un ensemble de rotor de turbomoteur à gaz.

Les ensembles de rotor qui sont destinés à être utilisés dans des turbomoteurs à gaz comprennent habituellement un disque présentant un arrangement annulaire de pales aérodynamiques régulièrement espacées sur sa périphérie radialement extérieure. Les pales aérodynamiques sont habituel10 lement fixées sur le disque par un type quelconque de liaison mécanique. Ainsi, il est par exemple courant de munir chaque pale de sustenstation d'un pied en forme de sapin, qui se loge dans une partie évidée de forme correspondante dans la périphérie du disque. Si de telles méthodes de fi15 xation sont satisfaisantes lorsqu'elles sont employées dans des turbomoteurs à gaz de taille moyenne à grande, elles ne

le sont pas dans des turbomoteurs à gaz de petite taille.

Du fait des limites physiques que présente la fabrication d'éléments à petite échelle, les sections aérodyna20 miques des pales de rotor sont d'une grandeur disproportionnée par rapport au disque de rotor sur lequel elles doivent être fixées. Afin d'être adéquatement maintenues sur le disque à des vitesses de rotation élevées, elles

doivent donc être elles-mêmes munies de franges de pieds en 25 forme de sapins de relativement grande taille.

Alors que les vitesses et les températures augmentent afin de répondre à la demande de performances améliorées, les proportions des fixations en forme de sapins doivent être toujours plus accrues. On atteint ainsi une limite mécanique, lorsque les fixations des pieds de pales occupent une place excessive sur la périphérie du disque de rotor. Il est donc souhaitable de fournir une autre méthode de fixation des pales de rotor au disque, selon laquelle l'emploi de fixations de pieds mécaniques est supprimé, ce 35 qui résoud le problème de l'occupation excessive de la

périphérie du disque.

Le brevet britannique n 1.586.331 décrit un procédé de fabrication d'un ensemble de rotor, selon lequel le disque est doté d'une périphérie plane, et les pales aéiodynamiques font partie d'une couronne qui est prévue pour s'adapter sur cette périphérie, les lignes d'assemblage entre la couronne et le disque sont brasées sous vide, à la suite de quoi l'ensemble est pressé isostatiquement à chaud afin de réaliser une liaison par diffusion dans l'ensemble de l'interface entre la couronne et le disque. 10 Ce procédé supprime donc l'occupation excessive, et les limites mécaniques qu'elle entraîne, des fixations de pieds conventionnelles sur un disque de petit diamètre, puisqu'il

n'y a pas de liaison mécanique entre les pales aérodynamiques et le disque.

Un des problèmes de la fabrication d'ensembles de rotor à l'aide de ce procédé est d'obtenir un positionnement satisfaisant de la couronne sur le disque. En effet, étant donné qu'il est difficile d'obtenir des surfaces d'about de la couronne et du disque qui s'épousent exacte20 ment, il se peut que certaines régions aboutent, tandis que

d'autres seront distantes, avec des distances variables.

Ceci peut à son tour, engendrer des problèmes quant à l'obtention d'un sceilement satisfaisant des lignes d'assemblage entre la couronne et le disque, ainsi que des variations de la qualité de la liaison par diffusion dans

l'ensemble de l'interface entre la couronne et le disque.

Les demandes de brevets britanniques 2.106.425 A et 2.106.016 A décrivent des rotors de turbines à gaz qui sont réalisés par une liaison par diffusion de pales aéro30 dynamiques préformées sur la périphérie d'un disque, en faisant appel à une technique de compression isostatique à chaud. L'interface entre les pales et la périphérie du

disque est tout d'abord scellé par une étape de brasage.

Afin d'empêcher le matériau de brasage de contaminer l'in35 terface entre les pales et le disque, il est prévu une "trappe de brasage" sous la forme d'une petite chambre;

l'expérience montre que cette chambre se remplit de matériau de brasage au cours de l'étape de brasage.

La présente invention a pour but de fournir un procédé de fabrication d'un ensemble de rotor pour un turbomoteur à gaz par liaison par diffusion des pales sur un disque, selon lequel un positionnement amélioré des

pales sur le disque est obtenu avant la liaison par diffusion.

Selon l'invention, un procédé de fabrication d'un ensemble de rotor pour un turbomoteur à gaz comprend les étapes de fabrication d'un disque métallique présentant, sur sa périphérie radialement extérieure, au moins une bride annulaire s'étendant axialement, de fabrication d'un 15 arrangement circonférentiel de pales métalliques espacées de forme aérodynamique, constituée chacune d'une partie aérodynamique et d'une partie de pied qui présente une bride s'étendant axialement, de forme complémentaire à au moins une partie de la circonférence de la bride annulaire 20 du disque, de montage de l'arrangement de pales sur la périphérie radialement extérieure du disque avec la ou les brides de l'arrangement de pales confrontée(s) avec la bride annulaire du disque, les brides de l'arrangement de pales et du disque étant munies de rainures circonféren25 tielles qui coopèrent pour définir deux chambres fermées espacées s'étendant circonférentiellement à l'interface entre les brides, de scellement de l'interface d'assemblage à un endroitccompris entre la première chambre et l'extrémité libre des brides, puis de compression isostatique à 30 chaud de l'ensemble ainsi obtenu, pour obtenirainsi une liaison par diffusion entre l'arrangement de pales et le disque et entre les brides de l'arrangement de pales et du disque, et écraser la deuxième chambre, fournissant

ainsi une indication visuelle de l'étendue et de la 35 réussite de la liaison par diffusion.

On va-maintenant décrire l'invention sur un exemple et à l'aide du dessin annexé, dans lequel: Figure 1 est une vue de côté d'une couronne munie d'un arrangement de pales aérodynamiques s'étendant ra5 dialement; Figure 2 est une vue de côté d'un disque; Figure 3 est une vue de côté de la couronne de pales représentée à la figure 1 montée sur le disque représenté à la figure 2; Figure 4 est une vue en coupe transversale d'une partie de l'ensemble du disque et de la couronne de pales représenté à la figure 3; et Figure 5 est une vue en coupe transversale d'une partie d'un second mode de réalisation de l'invention,

présentant la disposition de brides s'étendant axialement.

La figure 1 représente une couronne de pales globalement désignée 10, qui comprend une couronne 11 qui est munie d'un arrangement annulaire de pales aérodynamiques l1a espacées équidistantes et s'étendant radialement, qui 20 sont montées sur sa périphérie radialement extérieure. La couronne de pales 10 peut être fabriquée par tout procédé adéquat. Elle peut ainsi être fabriquée en assemblant un arrangement annulaire de pales aérodynamiques présentant des plates-formes de telle sorte que les plâtesformes de 25 pales voisines s'aboutent, puis en assemblant entre elles les pales ainsi en aboutement, par soudage par bombardement électronique par exemple. Une autre possibilité consiste à fabriquer la couronne de pales en formant une couronne,présentant, dans sa périphérie, un certain nom30 bre d'encoches de section aérodynamique, en insérant dans les encoches des pales aérodynamiques de section correspondante, puis en fixant les pales dans les encoches par soudage par bombardement électronique. On notera toutefois

que d'autres procédés de fabrication de la couronne de pales 35 peuvent également être employés, si on le souhaite.

Comme le montre la figure 4, la couronne 11 est munie de deux brides s'étendant axialement 12 et 13, qui sont positionnées de chaque côté de son développement axial de manière à être espacées l'une de l'autre de manière équi5 distante. A la suite de la fabrication de la couronne de pales 10, les périphéries radialement intérieures des

brides 12 et 13 sont usinées au même diamètre intérieur.

Par contre, la périphérie radialement intérieure de la couronne 11 est usinée à un diamètre intérieur qui est 10 légèrement supérieur à celui des brides 12 et 13.

La couronne de pales 11 peut être fabriquée en tout alliage adéquat, mais elle sera de préférence fabriquée dans un alliage à base de nickel, et en particulier dans

l'alliage à base de nickel connu sous la désignation 15 "MARMOO2".

Le disque 14 représenté à la figure 2 est préformé à partir de particules d'un alliage,qui ont été compactées dans des conditions adéquates de températures et de pression afin de les consolider. L'alliage est également un 20 alliage à base de nickel, et de préférence celui connu sous la désignation "Astroly". Le disque 14 est configuré de manière à être muni de deux brides s'étendant axialement et 16, qui sont positionnées de chaque côté de son développement axial de manière à être espacées l'une de l'autre de manière équidistante, la distance axiale étant la même que celle qui sépare les brides 12 et 13 sur la couronne 11. Le disque 14 est formé de telle sorte que la périphérie radialement extérieure de chaque bride 15 et 16 est légèrement supérieure au diamètre intérieur de chacune 30 des brides 12 et 13. Toutefois, après la consolidation, les brides 15 et 16 sont usinées jusqu'à ce qu'elles présentent chacune un diamètre extérieur qui soit égal au diamètre intérieur de chacune des brides 12 et 13. Après la consolidation, la périphérie radialement extérieure du disque 35 14 est elle aussi usinée, mais de telle sorte que son diamètre extérieur soit légèrement inférieur à celui des

brides 15 et 16.

Toutes les brides 12, 13, 15 et 16 sont en outre

usinées de telle sorte qu'elles sont chacune munies de 5 quatre rainures circonférentiellement espacées 17, 27.

Plus précisément, les rainures 17, 27 des brides 12 et 13 sont sur leurs périphéries radialement intérieures, et les rainures 17, 27 des brides 15 et 16 sont sur leurs périphéries radialement extérieures. Les rainures 17, 27 10 des brides 12 et 13 sont axialement distantes de la même distance que celle qui sépare axialement les rainures 17,

27 des brides 15 et 16.

La couronne de pales 10 est alors chauffée jusqu'à ce qu'elle se dilate thermiquement d'un montant tel qu'elle 15 puisse être montée sur la périphérie radialement extérieure

du disque 14, de la manière représentée aux figures 3 et 4.

La couronne de pales 10 est montée sur le disque 14 de telle sorte que les rainures 17, 27 des brides 12 et 15 et celles des brides 13 et 16 coopèrent pour définir respectivement les chambres fermées 18 et 19. En outre, comme la périphérie radialement intérieure du disque 14 et celle de la couronne 11 présentent des diamètres différents de ceux des brides 12, 13, 15 et.16, ces éléments coopèrent avec les brides 12, 13, 15 et 16 pour définir une nouvelle chambre fermée 20. 25 L'ensemble de la couronne de pales 10 et du disque 14 est alors refroidi, de sorte que la couronne 11 se contracte sur le disque 14, fournissant ainsi un assemblage serré entre les brides 12, 13, 15 et 16. Ainsi donc, comme le disque 14 et la couronne hi sont mutuellement espacés par la chambre annulaire fermée 20, les brides 12, 13, 15 et 16 constituent l'unique moyen de positionnement de la couronne de pales 11

sur le disque 14.

Les brides 12 et 15 définissent conjointement une ligne de joint annulaire exposée 21, et les brides 13 et 35 16 définissent d'une manière similaire une ligne de joint annulaire exposée 22. Ces lignes de joint annulaires 21 et 22 sont scellées par brasage sous vide, de sorte que sont scellés les interfaces entre les brides 12, 13, 15 et 16 qui sont situés aux extrémités libres des brides 12, 13, 15 S et 16, vers l'extérieur de la chambre 19. Les chambres annulaires fermées 18, qui peuvent présenter par exemple un diamètre atteignant 2,5 mm, jouent le râle de "trappes de brasage", empêchant l'écoulement de matériau de brasage en fusion dans les interfaces entre les brides 12, 13, 15 et 16, ainsi-que dans la chambre annulaire 19 et dans la chambre 20. On notera que d'autres matériaux de-scellement à haut point de fusion pourraient être employés pour sceller les

lignes de joint 21 et 22. Un autre type de scellement peut 15 être obtenu par des moyens tels qu'un soudage par bombardement électronique ou autres techniques de soudage.

Une fois que les lignes de joint 21 et 22 ont été scellées sous vide, l'ensemble est soumis à une compression isostatique à chaud. L'ensemble est ainsi soumis pendant quatre heures à une pression de 28.000 psi à une température de 1228 C. Ce traitement sertoà obtenir une liaison par diffusion entre les brides 12, 13, 15 et 16. En outre, ce traitement engendre l'"écrasement" ou encore l'effondrement des deuxièmes chambres 19 et de la chambre 20, de sorte qu'une 25 liaison continue est créée entre la couronne 11, le disque 14 et les brides 12, 13, 15 et 16. Les chambres 19 sont dimensionnées (dimension type 2,5 mm de diamètre) de manière à s'effondrer au cours de l'étape de compression isostatique à chaud. L'effondrement des chambres 18 engendre la forma30 tion de "cuvettes" peu profondes à la surface des brides, qui fournissent une indication visuelle fiable de la réussite de la liaison par diffusion. On ne peut se fier aux chambres 18 pour fournir cette indication, puisqu'elles sont remplies du matériau de brasage ou autre matériau de 35 scellement et qu'elles assurent que les chambres 19 ne

reçoivent pas de ce matériau.

Si l'interface entre les brides devient contaminé ou si des inclusions sont présentes, alors la liaison par

diffusion ne sera pas correctement réalisée et les chambres 5 19 ne s'effondreront pas totalement: ceci sera immédiatement visible en examinant la surface des brides.

On notera donc bien qu'avant l'étape de compression isostatique à chaud, les brides 12, 13, 15 et 16 constituent l'unique moyen de positionnement de la couronne de 10 pales 10 sur le disque 14. Le positionnement précis de la

couronne de pales 10 sur le disque 14 est ainsi garanti.

Une fois que la compression isostatique à chaud a été arrêtée, l'ensemble de rotor obtenu est contrôlé par examen aux ultrasons. En effet, la liaison réalisée par 15 diffusion entre la couronne 11 et le disque 14 est maintenant positionné de telle sorte qu'elle peut être contrôlée d'une manière satisfaisante en faisant appel aux ultrasons. En effet, un examen ultrasonore efficace nécessite-:que la sonde ultrasonore soit positionnée globalement 20 perpendiculairement à la surface à contrôler, et la configuration du disque 14 ainsi que la position des pales aérodynamiques lla empêchent normalement cela. Toutefois, les brides 12, 13, 15 et 16 sont configurées de telle sorte que les liaisons par diffusion réalisées entre elles peuvent être inspectées aux ultrasons de manière satisfaisante. Or; on a constaté que si les liaisons par diffusion entre les brides 12 et 15 et 13 et 16 étaient satisfaisantes, alors la liaison par diffusion entre la couronne 11 et le disque 14 l'est aussi. Ceci est particulièrement vrai avec les 30 chambres fermées 19, car.si la compression isostatique à chaud est suffisante pour les "écraser", et dans la mesure o le matériau de brasage ou autre matériau de scellement est empêché de pénétrer dans les chambres 19, alors la chambre fermée 20 se sera elle aussi effondrée, et il y aura bien eu une liaison par diffusion entre la couronne 11 et le disque 14. Si un degré satisfaisant de liaison par diffusion est détecté, les brides 12, 13, 15 et 16 sont enlevées par usinage. Si l'on souhaite effectuer un examen visuel supplémentaire de l'interface entre les brides 12 et 15 et 13 et 16, l'opération d'usinage pourra être effectuée d'une manière permettant de laisser voir des vues en coupe de l'interface. De toute manière, l'ampleur de l'effondrement des chambres 19 fournira une indication

visuelle suffisamment fiable, car les surfaces de la bride 10 éloignées de la ligne de joint présenteront alors des dépressions annulaires.

A la figure 5, les pièces similaires à celles de la

figure 4 sont désignées par les mêmes références numériques.

La seule différence importante entre le mode de réalisation 15 de la figure 5 et celui de la figure 4 est que dans le mode de réalisation de la figure 5, il n'est pas prévu de chambre (équivalente à la chambre 20) entre la couronne 11 et

le disque.

Dans les deux modes de réalisation spécifiques décrits 20 ci-dessus, les pales sont tout d'abord assemblées pour former une couronne 11, puis la couronne 11 est assemblée au disque 14 par liaison par diffusion. C'est la manière préférée pour fabriquer le rotor. Toutefois, il est également possible d'assembler un arrangement d'éléments, compre25 nant chacun une partie aérodynamique et une partie de pied qui présente une forme de section similaire à la section de la couronne 11 représentée aux figures 4 et 5, et d'assembler à la périphérie du disque 14 ces parties de pied par liaison par diffusion. Dans ce cas, chaque partie de 30 pied possède une ou plusieurs brides (équivalentes aux brides 12, 13), mais ces brides sont des segments d'une couronne, Lors de l'assemblage sur le disque, ces brides coopèrent pour définir une bride annulaire complémentaire des brides prévues sur le disque et confrontée avec elles. 35 Cette autre manière de fabrication du rotor est estimée 1.0 moins efficace que celle consistant à fabriquer d'abord une couronne, par suite de la difficulté à obtenir des liaisons par diffusion satisfaisantes entre les parties de pied voisines. Il pourra être nécessaire de réaliser chaque 5 partie de pied elle-même sous la forme d'un segment de couronne, de sorte qu'au cours de l'étape de compression, ces parties se consolident pour former une couronne de

pales intégrale.

Afin de garantir que les ultrasons n'aient pas de 10 conséquences néfastes sur la surface des brides, il faut habituellement s'assurer que les épaisseurs de brides conviennent pour le type d'équipement ultrasonore qui sera employé. Ainsi, les brides 12, 13, 15 et 16 présenteront

de préférence chacune une épaisseur supérieure à 0,3 pouce 15 (environ 7, 6 mm).

il

Claims

- REVENDICATIONS

1. Procédé de fabrication d'un ensemble de rotor pour un turbomoteur à gaz, comprenant les étapes de fabrication d'un disque métallique présentant, sur sa périphérie radia5 lement extérieure, au moins une bride annulaire s'étendant axialement, de fabrication d'un ensemble circonférentiel de pales métalliques espacées de forme aérodynamique, constituée chacune d'une partie aérodynamique et d'une partie de pied qui présente une bride, s'étendant axialement, de forme 10 complémentaire à au moins une partie de la circonférence de la bride annulaire du disque, de montage de l'ensemble de pales sur la périphérie radialement extérieure du disque avec la ou les brides de l'ensemble de pales confrontée(s) avec la bride annulaire du disque, caractérisé en ce que les brides (12, 13, 15 et 16)de l'ensemble de pales (l) et du disque (14) sont munies de deux rainures circonférentielles espacées qui coopèrent pour définir deux chambres fermées espacées (18,19)s'étendant circonférentiellement à l'interface entre les brides (12, 13, 15 et 161 et en ce que le procédé comprend les étapes de scellement de l'interface d'assemblage à un endroit compris entre la première chambre (18)et l'extrémité libre des brides (12, 13, 15, 161 puis de compression isostatique à chaud de l'unité ainsi obtenue, pour obtenir ainsi une liaison par.diffusion entre l'ensemble de pales (11) 25 et le disque (14) et entre les brides(12, 13, 15, 16)de l'ensemble de pales(1l)et du disque(141 et engendrer l'"écrasement" ou encore l'effondrement de la deuxième chambre(19, ce qui fournit une indication visuelle de la réussite de la liaison

par diffusion.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble de pales(ll)comprend un certain nombre de pales lla présentant une partie de pied commune, et en ce que la bride axiale(12, 13)de l'ensemble de pales (11) est une

bride annulaire.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce l'ensemble de pales 11 comprend un certain nombre de pales lia qui possèdent chacune leur propre partie de pied, chaque partie de pied présentant une bride s'étendant axialement(12, 13)qui est un segment d'une couronne, et en 5 ce que l'étape de montage de l'ensemble de pales 11 sur le disque(14) comprend l'étape d'assemblage d'un certain nombre de pales lla autour du disque(14j avec les segments de brides annulaires (12, 13)coopérant pour former une bride

annulaire(15, 16)qui est confrontée avec la bride annulaire 10 dudisque(14).

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications

1 à 3, caractérisé en ce que l'étape de montage de l'ensemble de pales 11 sur le disque(14)comprend l'étape d'engagement de l'ensemble de pales lla en contact avec la périphérie 15 du disque 14 sur une partie substantielle de l'interface

entre l'ensemble de pales lia et le disque 14.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications

1 à 3, caractérisé en ce quel'étape de montage de l'ensemble de pales 11 sur le disque (14)comprend l'étape de formation 20 d'un interstice(20) entre une partie substantielle de l'interface entre l'ensemble de palesLll)et le disque(14 exceptée la région de l'interface entre la première chambre (18) et l'extrémité libre des brides(12, 13, 15, 16), qui doit

être scellée par le matériau de scellement.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications

1 à 5, caractérisé en ce que l'ensemble de pales(ll)et le disquel4)sont chacun munis d'une paire de brides s'étendant

axialement en vis-à-vist12, 13, 15 16).

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications

1 à 6, caractérisé en ce que les brides s'étendant axialement (12, 13, 15 16)sont enlevées par usinage après l'étape de

compression isostatique à chaud.

8. Procédé de fabrication d'un ensemble de rotor selon

l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé 35 en ce que la région entre la première chambre 18 et les

extrémités libres des brides(12, 13, 15 et 16)est

scellée à l'aide d'un alliage de brasage.

9. Ensemble de rotor pour un turbomoteur à gaz, comprenant un certain nombre de pales de forme aérodyna5 mique assemblées par liaison par diffusion sur un disque

conformément au procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.