FR2650344A1

FR2650344A1 - Dispositif de compensation de balourd sur un rotor de compresseur centrifuge radial

Info

Publication number: FR2650344A1
Application number: FR9009385A
Authority: FR
Inventors: Gerhard Brueckner; Berhard Woehrl; Harald Sassmannshausen
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH; Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 1989-07-26
Filing date: 1990-07-23
Publication date: 1991-02-01
Anticipated expiration: 2010-07-23
Also published as: GB9016280D0; DE3924715A1; GB2234358B; GB2234358A; IT9020858A1; IT9020858A0; FR2650344B1; DE3924715C2; JPH0378599A; US5129284A; JP2997712B2; IT1244287B

Abstract

Il est proposé un dispositif pour compenser le balourd sur un rotor de compresseur centrifuge radial 1 d'une turbomachine, en particulier pour la compensation statique du balourd sur une roue 2 de compresseur à double flux et pourvue d'aubes dos à dos, dans lequel est prévu dans la zone radialement externe de la roue 2 de compresseur au moins un orifice axial 3, qui est rempli par un insert 4', qui ferme de façon affleurante en surface du point de vue aérodynamique l'orifice 3 du côté de l'extrémité, entre des parties d'aubes radiales voisines.

Description

DISPOSITIF DE COMPENSATION DE BALOURD SUR UN

ROTOR DE COMPRESSEUR CENTRIFUGE RADIAL.

L'invention se rapporte & un dispositif pour compenser le balourd sur un rotor de compresseur centrifuge radial d'une turbomachine, en particulier pour compenser statiquement le balourd sur une roue de compresseur centrifuge radial à double flux d'un mécanisme de turbine & gaz, dans lequel au moins un orifice axial disposé dans la zone périphérique externe dans le sens radial présente un insert, qui ferme avec affleurement de paroi, l'orifice côté extrémité par

rapport à la surface du rotor.

En particulier, dans le cas de roues à aubes de compresseur centrifuge radial appelé "à double flux" soumises & un flux radial, équipées d'aubes radiales mises dos à dos et respectivement des deux côtés et fabriquées de façon intégrale, il n'existe pratiquement aucune possibilité, de compenser des déséquilibres des plateaux par enlèvement local de matière ou par ajout local de matière, de sorte que les structures de canaux et les profils d'aubes fabriqués le plus exactement possible en fonction des critères de dimensionnement ne

subissent aucune influence aérodynamique.

Selon de telles conceptions de rotor, la roue radiale à double flux est assemblée, respectivement soudée, avec des stabilisateurs d'arbres avant ou arrière en une structure de rotor unitaire, pour pouvoir correspondre aux exigences nécessaires de rigidité et de solidité malgré des tracés de contour sollicités relativement fortement vers l'intérieur contre l'axe du rotor. Les rétrécissements exposés inclinés vers l'intérieur localement et de façon relativement largement radiale,, du tracé du contour périphérique du rotor, en liaison avec des longueurs constructives comparativement grandes, ont leur raison dans le fait que, dans le cas de diamètres de rotor locaux prédéterminés relativement minimes, des débits massiques et des vitesses de flux entrant élevés sont supposés dans la roue radiale a double flux du compresseur. En raison du type constructif décrit, on ne peut réalisé également desdits "paquets d'équilibrage", c'est-a-dire dans le but de compenser les balourds, des barres de matière périphériques pouvant être travaillées de l'intérieur, du côté arrière ou respectivement avant dans la matière de la roue à double flux, ce qui au besoin pouvait être réalisé en utilisant des rotors adaptables amovibles à partir de l'arbre. Ceci est valable cependant, pour des diamètres de rotor comparativement grands, respectivement des deux côtés de la roue à double flux du compresseur. Une roue à aubes adaptable amovible et respectivement démontable n'est également pas souhaitée, parce qu'elle causerait un affaiblissement du rotor, du point de vue rigidité, bien que dans le cas d'une conception de ce type, des brides périphériques du type "paquets d'équilibrage" ou analogues seraient retirables sans perturbation du point de vue aérodynamique de la roue d'adaptation concernée. Des balourds locaux uniquement dynamiques sont dans le cas d'un dit rotor de ce type avec une roue à double flux de compresseur corrigés en plus vers l'-avant et l'arrière par des stabilisateurs d'arbres latéraux faisant partie intégrale du rotor ou raccordés à celui-ci de façon fixe, en réalisant un ajout de matière local dans -la zone respective de palier sur les stabilisateurs latéraux, sans pouvoir cependant avoir automatiquement une influence sur les corrections d'un balourd statique de la roue à double flux, qui comprend

la plus grande masse du rotor.

-L'invention a pour objet, de procurer un dispositif pour un rotor avec une roue radiale à double flux comprenant des aubes dos à dos, avec lequel de façon comparativement simple, malgré un rétrécissement du diamètre relativement prononcé sur le rotor en particulier un balourd de plateau de roue statique, ou respectivement un balourd résiduel puisse être supprime de façon fiable, sans influence notable relative à la

rigidité et l'aérodynamique.

Cet objet est résolu conformément à l'invention, par le fait que l'insert - remplit un orifice traversant axial disposé entre les parties d'aubes radiales voisines du rotor, - est fabriqué en une matière plastique renforcé de fibres de carbone, de verre ou de céramique, - est conformé de façon identique ou analogue en ce qui concerne la dilatation thermique, à celle du rotor, - présente une masse volumique, qui est

différente de celle du matériau du rotor.

L'invention supprime entre autre les inconvéniehts, qui résultent des méthodes de compensation de balourd existantes connues dans la construction de turbocompresseur, en particulier sur les surfaces des aubes, dans la zone des bords sur la roue & aubes d'attaque desquelles, sur la roue à aubes, sont à prévoir des manques de matière, qui en regard des conditions de pression du compresseur exigées élevées, ne sont plus pratiquement admissibles dans le sens de modifications sur les surfaces des aubes; ceci également ne doit plus être modifié pour des raisons techniques d'oscillations, c'est-à-dire d'une fréquence d'une aube propre prédéterminée et concordant avec le

comportement de fonctionnement.

L'invention permet une fermeture en affleurement de surface de façon aérodynamique d'orifices traversants axiaux existants, et ainsi de la

paroi de canal de flux dans le plateau du rotor.

Conformément à l'invention, les inserts pourraient dans un sens plus large être formés également comme des bouchons de fermeture. Ainsi le balourd (balourd

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résiduel statique) pourrait être essentiellement éliminé par exemple par mise en place additionnelle d'un orifice traversant axial à la place de la masse excentrée relativement grande, avec un remplissage ultérieur de l'orifice, par fermeture simultanée des extrémités de l'orifice par l'intermédiaire d'un insert, qui serait - pondéralement localement sensiblement plus léger que la masse de plateau enlevée

par l'orifice.

En outre de façon appropriée, plusieurs orifices traversants peuvent exister sur le rotor ou la roue fabriqué, ces orifices étant de même forme sur un rayon déterminé, répartis sur la périphérie, en série; ils seraient à fermer au maximum et ceci avec des inserts, par exemple par répartition mélangée relativement à leur poids' propre spécifique pour obtenir le poids spécifique du plateau du rotor dans le

sens de nécessité de compensation de balourd résiduel.

Compte tenu que dans des orifices axiaux sont créées des forces centrifuges perpendiculairement à l'axe de l'orifice, fondamentalement il ne faut pas craindre que le ou les inserts ou bouchons soient éjectés hors des orifices, en particulier lorsqu'il est prévu des orifices traversants axiaux relativement longs avec des longueurs d'appui relativement longues

dans le sens radial.

Dans l'agencement de l'invention, des moyens de blocage axiaux des inserts peuvent être prévus, dans la mesure o par exemple une adhérence ou un emmanchement local de l'insert serait à prévoir, dans le cas o les vitesses de rotation et les forces

centrifuges ne seraient pas suffisantes.

Selon l'agencement de l'invention lors de la fabrication possible des inserts en matière plastique avec des remplissages locaux de matière (billes de plomb ou équivalent), il faut veiller dans chaque cas à ce que les remplissages (plus grandes masses) viennent reposer sur la zone centrale transversale locale du plateau; c'est-à-dire que les remplissages doivent être disposes de telle sorte qu'ils sont 'supportés sur une zone de grande surface de l'orifice, dans l'épaisseur de la matière, en considérant les forces centrifuges agissant à angle droit par rapport à la

direction axiale du remplissage.

Dans le cas de roues à double flux équipées déjà en série d'orifices axiaux répartis uniformément sur la périphérie, pourrait être maintenue par exemple une série d'inserts ou de bouchons en matière plastique préfabriqués qui sont pourvus de remplissages différemment lourds déterminés selon le besoin. En cas de balourds, les inserts adaptés en poids pourraient être choisis par programme d'ordinateur et ensuite être insérés, par exemple collés, dans l'orifice correspondant. Conformément à l'invention, se présente la possibilité de fabriquer et respectivement préparer les inserts pondéralement plus légers, identiques ou plus lourds que la matière du plateau ou du rotor en question, et ainsi par exemple de les fixer par répartition mélangée de façon correspondante, de façon adaptée aux nécessités de compensation du balourd, dans

les orifices du plateau de roue.

En référence aux figures, l'invention est décrite ci-dessous à l'aide d'un exemple de réalisation. - La figure 1 est une coupe longitudinale centrale représentée schématiquement d'un tronçon de rotor tronqué du côté stabilisateur latéral de l'arbre d'un compresseur centrifuge radial avec une roue de

compresseur à& double flux équipée d'aubes dos à dos.

- La figure 2 est une coupe externe radialement d'une roue de compresseur centrifuge radial selon la figure 1 avec un insert en matière plastique contenant un remplissage de billes de plomb pour une

compensation de balourd local.

- La figure 3 est une coupe externe radialement d'une roue de compresseur centrifuge radial selon la figure 1 avec un orifice pour un insert en forme de broche, axial, divergent/convergent dans le

sens longitudinal.

- La figure 4 est une coupe externe radialement d'une roue de compresseur centrifuge radial selon la figure i avec un orifice traversant axial pour un insert et comprenant une rainure annulaire centrale et - La figure 5 est une coupe externe radialement d'une roue de compresseur centrifuge radial selon la figure 1 avec un insert en deux parties bloqué dans un orifice traversant axial par une liaison du

type vis/partie conique.

La figure 1 représente le dispositif pour compenser le balourd sur un rotor de compresseur centrifuge radial (1), ici en particulier pour compenser le balourd statiquement sur une roue (2) de compresseur centrifuge radial & double flux et équipée d'aubes dos à dos, d'un mécanisme de turbine à gaz. Le plateau R de la roue présente dans la zone périphérique externe radialement de la roue (2) du compresseur un orifice axial (3), qui est rempli d'un insert (4'), qui ferme en affleurement de façon aérodynamique entre des parties d'aubes radiales voisines, l'orifice (3), côté extrémité. De cette façon, l'enlèvement d'une masse de matière provoqué par l'orifice axial (3) sur le plateau de roue outre le remplissage suivant, représenté par un insert (4') extrêmement léger, représente une compensation du balourd, et ceci en outre dans le sens d'un déplacement réalisé par la position excentrée du centre de gravité du rotor S, par rapport à l'axe du rotor A. A supposer qu'il y ait un déplacement du centre de gravité conformément à S' (opposé à S de

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'), alors le balourd existant éventuellement pourrait être compensé au moyen de la configuration de l'insert (4') contenu dans ledit alésage (3), dans la mesure o cet insert (4) présente un poids spécifique relativement plus élevé. Autrement dit, le déplacement correspondant des centres de gravité S, S' du rotor vers l'axe du rotor considéré A représente des déplacements de masse excentrés et symétriques par rapport au plateau de roue, les centres de gravité S, S' en question se trouvant dans un plan central E coupé perpendiculairement par l'axe du rotor A. Au rotor (1) selon la figure -1 sont également associés des stabilisateurs latéraux (4 et 5), soudés au plateau de roue (R) par exemple, du côté frontal. De plus on peut déduire de la figure 1 a titre d'exemple, que sur les extrémités représentées tronquées externes des stabilisateurs latéraux de l'arbre (4 et 5) sont mises en place des roues radiales non représentées, et qui fournissent à la roue (2) de compresseur centrifuge radial (2) à double flux de l'air comprimé selon les flèches F et F'. La roue de compresseur centrifuge radial à double flux et pourvue d'aubes dos à dos présente sur les deux côtés des aubes (6 et 7) de compresseur se rétrécissant de façon continue dans le sens du flux; de l'air du compresseur très comprimé peut être introduit à partir de ces aubes dans un système diffuseur avec une vitesse de flux sortant relativement élevée; de ce système diffuseur l'air comprimé peut être amené de façon adaptée dans une

chambre de combustion d'un mécanisme à turbine à gaz.

De la figure 1, on peut de plus remarquer, qu'un tracé de contour périphérique, extérieur se rétrécissant relativement largement en direction de l'axe du rotor A est donné aux deux stabilisateurs latéraux (4 et 5); ce tracé se poursuit de façon continue et affleurante par rapport au contour du plateau de roue R côté moyeu, par l'intermédiaire des extrémités d'inserts. Un ou plusieurs orifices traversants axiaux (3) pour les inserts (4') correspondants s'étendent donc toujours respectivement entre deux aubes voisines (6 et 7) du compresseur, qui de leur côté sont disposés à des distances opposées identiques sur la périphérie du plateau de roue. En relation à ladite translation des centres de gravité S et S' vers l'axe du rotor A, l'insert (4'), par exemple en matière plastique, présente donc soit un poids spécifique moindre ou respectivement un poids spécifique plus élevé que la matière du plateau de roue R. Pour la sécurité de fonctionnement il est de plus important, que l'insert (4') dans chaque cas présente un coefficient de dilatation thermique, qui soit analogue ou identique à celui du plateau de roue. Les inserts (4') (fig. 1) ou (8) (figure 2) peuvent également être fabriqués par exemple en matière plastique ainsi qu'éventuellement en

une ou plusieurs parties.

De plus il es; possible, de fabriquer les inserts en question (4') et (8) en une matière plastique renforcée de fibres de carbone, de verre ou

de céramique.

De plus l'invention prévoit la possibilité de fabriquer le ou les inserts (4') et (8) en fibres noyées dans une matrice de résine synthétique, par exemple une matière thermoplastique ou du polyimide, des fibres noyées, du type déjà décrits ou même également en des combinaisons de fibres. Par le choix des types de fibres ou de leur sens d'agencement, les coefficients de dilatation thermique des inserts (4') et (8) sont amenés en concordance avec ceux du plateau de roue R dans le sens d'une dilatation d'exploitation la plus. identique possible. Par des directions angulaires déterminées des fibres en question ou des combinaisons de fibres (renforcement périphérique), peuvent de plus être compensées des charges de force centrifuge relativement élevées agissant sur les inserts (4' et 8), et ceci dans le sens d'une déformation des inserts 4' et 8 la plus petite possible. Conformément à la figure 2, l'insert de matière plastique (8) présente un remplissage de matière constituée de plomb. Dans ce cas, le remplissage de plomb est constitué de billes de plomb (10) noyées ou respectivement insérées dans l'insert et ceci dans un espace creux (9) cylindrique. Selon les conditions de compensation du balourd, la longueur constructive L de l'espace creux cylindrique (9) de l'insert (8) (fig. 2) peut être modifiée, pour assurer selon le besoin un remplissage plus ou moins important

avec des billes de plomb.

Comme alternative à la figure 2, il existe de plus la possibilité de couler dans l'espace creux (9) de l'insert (8) (figure 2) un remplissage de plomb ou (à la place de ce remplissage de plomb) de former le remplissage de matière en question à partir d'une feuille de plomb enroulée et/ou enfoncée par force dans

l'espace creux (9) de l'insert (8).

Principalement, l'insert (4') (figure 1) ou (8) (figure 2) peut être collé à l'intérieur de

l'orifice traversant axial correspondant (3).

Dans la mesure o ce dernier type de fixation (collage) ne peut être réalisé eu égard des charges de forces centrifuges transmises, les figures 3 et 4 prévoient des moyens de fixation supplémentaires axiaux et agissant mécaniquement sur des inserts qui ne sont

pas représentés.

Conformément à la figure 3, l'insert peut donc être fixé rigidement en direction axiale dans un alésage traversant (10') en forme de broche, convergent/divergent dans le sens longitudinal et réalisé dans le plateau de roue R. Conformément à la figure 4, par contre, l'insert (qui n'y est pas représenté) avec un tronçon sensiblement central du type à bourrelet peut venir en prise dans une rainure annulaire (12) d'un orifice

traversant axial (13).

Conformément à la figure 5, l'insert comporte deux parties constructives (15 et 16) fixées par pression (surface de pression P) dans un orifice traversant axial (3). Dans ce cas, les deux parties constructives (15, 16) sont bridées l'une contre l'autre au moyen de la vis (14) sur des surfaces d'appui conique (contour K) symétriques en rotation définies l'une par rapport à l'autre. Dans le dispositif selon la figure 5, ladite vis (14) est guidée avec sa tête de vis de façon mobile à l'intérieur de cavités correspondantes de l'une des parties constructives (16) et vient en prise de l'autre côté dans un filetage G de l'autre partie constructive (15). Principalement conformément à la figure 5, les deux parties constructives (15 et 16) peuvent être fabriquées dans une même matière avec le même poids spécifique; également les deux parties (15 et 16) pourraient être réalisées en matière plastique, tandis que la vis (14) est constituée d'une matière métallique, et procure la portion de masse supérieure relativement aux deux parties constructives (15 et 16)

et donc une portion du poids d'équilibrage.

Selon le besoin d'insert et le cas d'utilisation, il est possible de fabriquer les deux parties constructives (15 et 16) en matériaux respectivement différents avec un poids spécifique différent l'un de l'autre. Un tel type de procédé pourrait être utile, lorsqu'il se trouve que l'on veut compenser des balourds de masse ou autres excentrés du rotor ou respectivement du plateau de roue R. En regard de toutes les configurations d'équilibrage de poids décrites ci-dessus et discutées, le plateau de roue peut être équipé de façon non représentée sur un ou plusieurs rayons, de trous borgnes et/ou traversants axiaux, disposes de façon répartie uniformément sur la périphérie et préfabriqués Ces orifices sont remplis et fermés respectivement au maximum par des inserts, qui sont à répartir pour compenser le balourd selon leur poids spécifique. En utilisant des orifices axiaux du type borgne non représentés, il faudrait veiller & ce que ces orifices soient réalisés les plus longs possible, pour éviter, que le ou les inserts soient projetés hors des orifices

en raison des sollicitations centrifuges intervenant.

L'invention est adaptée également aux inserts sur des rotors de turbocompresseur, en particulier en regard des rotors ou plateaux de compresseur centrifuge

radial de ceux-ci.

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Claims

REVENDICATIONS

1 - Dispositif pour compenser le balourd sur un rotor de compresseur centrifuge radial d'une turbomachine, en particulier pour compenser statiquement le balourd sur une roue de compresseur centrifuge radial à double flux d'un mécanisme de turbine à gaz, dans lequel au moins un orifice axial disposé dans la zone périphérique externe dans le sens radial présente un insert, qui ferme avec affleurement de paroi l'orifice côté extrémité par rapport à la surface du rotor, caractérisé en ce que l'insert (8) - remplit un orifice traversant (3) axial disposé entre les parties d'aubes radiales voisines du rotor; - est fabriqué en une matière plastique renforcée de fibres de carbone, de verre ou de céramique; - est conformé de façon identique ou analogue en ce qui concerne la dilatation thermique, à celle du rotor; - présente une masse volumique qui est

différente de celle du matériau du rotor.

2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'insert (4', 8) est constitué de fibres dudit type ou de leurs combinaisons noyées dans une matière thermoplastique ou dans un polyimide en

tant que matrice de résine synthétique.

3 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'insert (8) est conformé d'un remplissage de matière constituée de plomb, afin de

compenser le balourd.

4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le remplissage de matériau est constitué de billes de plomb (10) insérées ou

respectivement noyées dans l'insert (8).

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- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le remplissage de matière est

constitué de plomb coulé dans l'insert.

6 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le remplissage de matière est formé d'une feuille de plomb enroulé et/ou introduit

par force dans l'insert.

7 - Dispositif selon l'une quelconque des

revendications 1 & 6, caractérisé en ce que l'insert

est fixé dans le sens axial dans un orifice traversant (10) en forme de broche, convergent/divergent dans le

sens longitudinal d'un plateau de roue (R) du rotor.

8 - Dispositif selon l'une quelconque des

revendications 1 & 7, caractérisé en ce que l'insert

avec un tronçon périphérique (11) sensiblement central de type bourrelet vient en prise dans une rainure

annulaire (12) de l'orifice traversant (13).

9 - Dispositif selon l'une quelconque des

revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'un plateau

de roue du rotor de compresseur est équipé sur un ou plusieurs rayons d'orifices traversants axiaux préfabriqués disposes de façon répartie uniformément sur la périphérie et qui sont remplis et fermés au maximum par des inserts qui sont disposés répartis afin de compenser le balourd compte tenu de leur poids spécifique-respectif.