FR2724690A1 - Roue mobile d'une turbomachine, notamment une turbine a ecoulement axial d'un groupe propulseur a turbine a gaz. - Google Patents

Abstract

Dans une roue mobile 1, les aubes mobiles 2 doivent être ancrées par un profil à denture des pieds d'aube 3, dans des rainures axiales 4 de configuration correspondante, de la couronne de roue. A cet effet, sont prévues exclusivement des aubes mobiles 2 de faible masse, tous les pieds d'aubes 3 comportent un tronçon de pied présentant des deux côtés, de manière symétrique, un profil en forme d'une seule dent Z, chaque pied d'aube 3 se raccorde de manière symétrique à une partie terminale 6, qui présente une section transversale de pied réduite par rapport au tronçon de pied comportant la denture Z, et chaque partie terminale 6 est guidée de manière radialement mobile, par des surfaces extérieures F arrondies, dans une cavité 7 agencée dans le fond de rainure.

Description

L'invention se rapporte à une roue mobile destinée à une turbomachine,

notamment une turbine à gaz à écoulement axial d'un groupe propulseur à turbine à gaz, dans laquelle les aubes mobiles sont ancrées par un profil à dents des pieds d'aubes, dans des rainures

axiales de forme correspondante de la couronne de roue.

Dans les turboréacteurs, l'utilisation de matériaux hautement alliés résistant aux températures élevées, pour les aubes mobiles, par exemple dans une turbine basse pression, conduit à des contraintes de bordure élevées au niveau de la couronne de roue, ce qui entrave fortement la durée de vie du disque de roue. Les aubes présentent un poids volumique relativement élevé; elles sont, par exemple, fabriquées sous forme de pièces moulées de précision, en alliages à base de nickel ou de cobalt. Habituellement, ces aubes mobiles sont ancrées, par des profils de pied à plusieurs dents, par exemple des pieds d'aube à profil dit en sapin ou cône de sapin, dans des rainures axiales de forme correspondante. Dans le cas d'un tel type d'aube et de pied d'aube, les tolérances de fabrication inévitables des profils à denture, sur le pied et la rainure, ne posent pratiquement pas de problème quant au centrage de l'aube. Cela résulte du fait que les matériaux d'aube hautement alliés mentionnés, présentent une ductilité et une élasticité de flexion suffisantes, de sorte que les tolérances de fabrication qui existent, sont compensées, en fonctionnement, par des déformations relatives, localisées, du pied d'aube. En fonctionnement, il en résulte, par conséquent, au niveau des surfaces d'appui pré-définies, entre chaque dent de pied et la surface conjuguée d'une rainure axiale, un appui ou un contact de surface escompté. En ce qui concerne la maîtrise des tolérances de fabrication, et ainsi également le centrage de l'aube, mais également les contraintes mécaniques, le mode de construction évoqué conduit à un agencement de résistance redondante, et hyperstatique; en outre, il s'ajoute à cela une fabrication compliquée et d'un processus complexe pour les pieds d'aube et les

rainures axiales.

L'utilisation d'aubes mobiles en matériaux dits matériaux de construction légers, par exemple en céramique résistant aux températures élevées, conduirait à des contraintes de bordure réduites, du disque de roue. Le manque de ductilité, d'élasticité en flexion, et le plus souvent également la sensibilité à la rupture fragile de tels matériaux, n'autorisent pratiquement pas la mise en oeuvre des profils évoqués, en sapin ou cône de sapin; les matériaux de construction légers ne permettent donc pas de déformations des pieds d'aube, conduisant à une compensation des tolérances de fabrication. Il est connu en soi, de munir des aubes mobiles d'un pied d'aube en forme de queue d'aronde. Un tel pied d'aube ne permet toutefois pas un centrage d'aube comparable à celui obtenu au moyen d'un pied d'aube à profil en sapin ou cône de sapin. Faute d'un centrage approprié, de telles aubes mobiles ont tendance, notamment dans le cas d'ailettes d'aube relativement longues, à prendre des positions inclinées inadmissibles, par rapport aux angles d'incidence

exigés.

Le but de l'invention consiste à fournir une roue mobile du type de celle mentionnée en introduction, dans laquelle apparaissent, malgré des vitesses de rotation élevées, des contraintes de bordure extérieures produites par la force centrifuge, qui soient faibles, l'utilisation d'aubes mobiles de faible masse et présentant une configuration relativement simple du pied d'aube et de la rainure, devant permettre malgré tout un

centrage parfait des aubes sur la couronne de roue.

Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce au fait que sont prévues exclusivement des aubes mobiles de faible masse, que tous les pieds d'aubes comportent un tronçon de pied présentant des deux côtés, de manière symétrique, un profil en forme d'une seule dent, que chaque pied d'aube se raccorde de manière symétrique à une partie terminale, qui présente une section transversale de pied réduite par rapport au tronçon de pied comportant la denture, et que chaque partie terminale est guidée de manière radialement mobile, par des surfaces extérieures arrondies, dans une

cavité agencée dans le fond de rainure.

Il en résulte un mode de construction de pied d'aube de fabrication relativement simple; le profil de pied localisé comportant la denture pied-rainure et les surfaces réciproques transmettant les forces, est sensiblement adapté à la maîtrise des contraintes mécaniques résultant des aubes mobiles de faible masse, et peut, en outre, être conçu sensiblement de manière à être libre de fonctions de centrage; le pied d'aube de faible masse n'est pas soumis à des déformations notables, résultant de tolérances de fabrication. Le centrage de l'aube est principalement assuré par la partie terminale considérée du pied d'aube, cette partie terminale absorbant la plus grande partie des forces de

centrage, relativement aux surfaces d'appui des dents.

Le pied d'aube indiqué conduit essentiellement à un appui statiquement déterminé, le centrage de pied pouvant être obtenu étant comparable à celui d'un pied à plusieurs dents (par exemple à profil en sapin) dans le cas d'aubes de poids élevé, en un matériau d'aube

fortement allié.

La mobilité radiale de la partie terminale est prédéterminée par le jeu de montage existant, de la

denture pied-aube.

Le guidage radial de la partie terminale dans la cavité, permet également d'absorber des moments de torsion apparaissant lors de la déformation des profils

d'écoulement par des anneaux de renfort extérieurs.

Ainsi, selon une configuration avantageuse de l'invention, les aubes mobiles sont disposées de manière à s'opposer à la torsion et/ou à amortir les vibrations, par un système d'anneau de renfort, à leurs extrémités

d'ailette extérieures.

L'invention fournit également diverses variantes de modes de base pour le profil de pied, avantageuses pour la mise en oeuvre de l'invention, en combinaison avec la partie terminale. Ainsi, la partie terminale peut être réalisée sur un pied d'aube du type en forme de queue d'aronde, ou sur un pied d'aube du type en forme de tête de marteau. Selon une version de l'invention, le pied de chaque aube mobile, vu du haut à l'extérieur vers le bas à l'intérieur, présente une section transversale de pied tout d'abord rétrécie en forme de col, se raccordant ensuite à la denture de pied

prévue des deux côtés.

Par ailleurs, conformément à une autre caractéristique de l'invention, chaque partie terminale est logée, par des surfaces extérieures arrondies ou bombées le long de toute la longueur, des deux côtés de manière symétrique, dans la cavité à parois axialement et radialement droites. Les surfaces extérieures arrondies de chaque partie terminale sont formées par une section transversale de partie terminale au moins partiellement de forme elliptique, en forme de vase ou

de forme circulaire.

Des variantes de matériaux d'aube de faible masse, plus particulièrement adaptés à la mise en oeuvre de l'invention, constituent également des caractéristiques de l'invention, Ainsi, toutes les aubes mobiles peuvent être fabriquées en un matériau céramique, de faible masse et résistant aux températures élevées. Selon une autre variante, toutes les aubes mobiles sont fabriquées en un matériau de construction léger, de faible masse, résistant aux températures élevées et présentant une structure alvéolée, globulaire. Plus précisément, toutes les aubes mobiles peuvent être fabriquées en un composé intermétallique de faible masse, et en alliages de celui-ci. Le composé intermétallique peut être constitué d'un composé

aluminium-titane (TiAl), ou d'un composé aluminium-

nickel (NiAl). Selon une autre caractéristique de l'invention, le matériau de l'aube, respectivement la matrice céramique ou métallique, peut être renforcé par des fibres. Conformément à un mode de réalisation particulier, le matériau de construction léger des aubes mobiles est constitué d'une matrice de titane

renforcée de fibres de carbure de silicium.

L'invention va être explicitée plus en détail dans la suite, à titre d'exemple, au regard des dessins annexés, qui montrent: Fig. 1 une vue frontale d'un tronçon de roue mobile, au niveau d'un tronçon de carter de turbine en coupe transversale, et présentant trois de plusieurs aubes mobiles, qui sont réparties de manière régulière le long de la périphérie, et sont ancrées sur la couronne de roue de la partie brisée du disque de roue représentée,

dans des rainures axiales.

Fig. 2 une section transversale de pied, localement brisée, d'un pied d'aube mobile usuel à profil en sapin, d'une aube mobile, associé à la rainure axiale correspondante, permettant de visualiser, concernant les forces de centrage locales, un appui de surface hyperstatique résultant de cette géométrie du

pied et de la rainure.

Fig. 3 une section transversale de pied, localement brisée, d'un pied d'aube mobile conforme à l'invention, associé à la rainure axiale correspondante, permettant de visualiser, concernant les forces de centrage locales, un appui de surface presque statiquement déterminé pouvant être obtenu par cette

géométrie du profil du pied et de la rainure.

La figure 1 montre une roue mobile 1 d'une turbine à écoulement axial d'un groupe propulseur à turbine à gaz, mettant en oeuvre une liaison conforme à l'invention, entre le pied des aubes et le disque de roue. Les aubes mobiles 2 sont ici ancrées, par leur pied d'aube 3, dans des rainures axiales 4 de forme correspondante, de la couronne de roue 5. Les aubes mobiles 2 sont fabriquées à partir d'un matériau dit matériau de construction léger, qui sera défini plus précisément dans la suite, et permettant d'obtenir des aubes de faible masse, c'est à dire de faible poids volumique. Chaque pied d'aube 3 présente de part et d'autre de son plan médian de symétrie E (longitudinal), une configuration identique en forme d'une seule dent Z. Dans le présent exemple, les aubes mobiles 2 comportent des plaques d'appui de pied F. Vu radialement vers l'intérieur, à partir de la plaque d'appui de pied F, les pieds d'aube 3 présentent tout d'abord une section transversale de col se rétrécissant uniformément, puis s'élargissent à partir de là, de manière uniforme, des deux côtés, pour former la denture de pied locale Z. Dans cette mesure, on se trouve en présence d'un profil de pied sensiblement en forme de queue d'aronde. Chaque pied d'aube 3 se raccorde symétriquement, sur son côté radialement intérieur, à une partie terminale 6, qui est guidée de manière radialement mobile, par l'intermédiaire de surfaces extérieures de forme arrondie ou bombée identique des deux côtés, dans une cavité axiale 7 réalisée dans le fond de rainure. Cela permet de réaliser le centrage périphérique primaire de

chaque aube mobile 2.

Entre à chaque fois deux rainures axiales 4 voisines en direction périphérique, sur la couronne de roue 5 sont conservées des protubérances de disque 8, qui forment chacune des deux côtés, un profil conjugué en forme de dent, identique, pour les dents Z des pieds d'aube 3. Les pieds d'aube 3 sont radialement ancrés et en appui au niveau de surfaces de portée S axiales, opposées et d'inclinaison identique par rapport aux plans médians de symétrie E, dans les tronçons localement en forme de dent des protubérances de disque 8. Le profil de base en forme de queue d'aronde des pieds d'aube 3 comportant les dents Z, est d'une configuration adaptée aux contraintes mécaniques régnant localement à ces endroit, et résultant notamment des

forces centrifuges.

La section transversale de pied d'aube représentée de manière schématique sur la figure 3, laisse entrevoir que par l'intermédiaire de la partie terminale 6, s'effectue pour chaque pied d'aube 3, l'essentiel du centrage de l'aube. Cela est concrétisé par la part des forces de centrage périphériques K, relativement grande par rapport à la part des forces de centrage K' relativement faible, apparaissant encore au niveau des surfaces de portée S opposées. Conformément aux parallélogrammes des forces, les faibles parts de forces de centrage K' sont dérivées des forces d'appui A dirigées perpendiculairement aux surfaces de portée S. Le mode de construction des pieds d'aube, selon la figure 3, permet en conséquence, d'obtenir un appui statiquement déterminé le long des surfaces de portée S opposées, entre le pied et la rainure, ainsi que de manière axialement linéaire, le long des surfaces extérieures F de la partie terminale 6 et les surfaces

conjuguées de la cavité axiale 7 (figure 1).

Notamment selon la figure 3, la partie terminale 6 considérée, présente sur toute son étendue longitudinale, de manière identique des deux côtés, des surfaces extérieures F de forme arrondie ou bombée, par l'intermédiaire desquelles elle réalise un contact de surface, axial, sensiblement linéaire, sur les surfaces intérieures des parois droites de la cavité 7

(figure 1).

La figure 2 montre, tout en utilisant les repères des figures 1 et 3, un mode de réalisation de pied d'aube usuel à profil en sapin, présentant un appui hyperstatique entre le pied et la rainure, au niveau des surfaces de portée S opposées. En raison de plusieurs dents de pied réalisées de part et d'autre du plan médian de symétrie E considéré, on obtient plusieurs fois des forces de centrage locales K', relativement à des appuis de pièce réciproques, au niveau des surfaces de portée S, un centrage de l'aube n'étant possible, en tenant compte des tolérances de fabrication, que par une déformation du pied d'aube suffisamment prononcée, en fonctionnement. En outre, il est à remarquer en ce qui concerne la figure 1, qu'à leurs extrémités radialement extérieures, les aubes mobiles 2 comportent des segments d'anneau de renfort 9, par l'intermédiaire desquels, en fonctionnement, les aubes mobiles 2 s'appuient réciproquement les unes contre les autres dans la direction périphérique. Par l'intermédiaire des segments d'anneau de renfort 9, les aubes mobiles 2 peuvent, par ailleurs, être disposées de manière, selon un premier cas, à amortir les vibrations et/ou selon un second cas,

à s'opposer à la torsion.

En ce qui concerne le premier cas qui vient d'être cité, les bords de jointure des segments d'anneau de renfort 9, peuvent être réalisés de manière telle, que les vibrations soient absorbées par un frottement déterminé entre les pièces (bord de jointure oblique

St - figure 1).

En ce qui concerne le second cas, il est possible de prévoir, en considérant cela comme vue de dessus, des bords de jointure des segments d'anneau de renfort 9, à profil en dents de scie; à titre d'exemple, des portions de bords de jointure réciproques, inclinées de manière identique par rapport à l'axe de roue, peuvent s'étendre de manière décalées les unes par rapport aux autres, grâce à des portions transversales réciproques. Les aubes mobiles 2 peuvent être fabriquées en un matériau céramique de faible masse, et résistant aux températures élevées. En ce qui concerne ce matériau

céramique, il peut s'agir de carbure de silicium, auto-

fritté ou ayant subi une compression à chaud. En ce qui concerne le matériau céramique, il peut, par ailleurs, s'agir de nitrure de silicium, qui est fritté par réaction, auto-fritté ou qui a subi une compression à chaud. En variante, les aubes mobiles 2 peuvent être fabriquées en un matériau de construction léger, de faible masse, résistant aux températures élevées et présentant une structure alvéolée, globulaire. A cet effet, les aubes mobiles 2 peuvent être fabriquées en un composé intermétallique de faible masse, et en alliages

de celui-ci.

La dénomination matériau à structure alvéolée "globulaire" peut désigner un matériau du genre constitué de billes creuses. A cet effet, des billes creuses métalliques peuvent être compactées de manière dense, et être liées grossièrement par un pré-frittage; ensuite, les espaces creux entre les billes peuvent être remplis par un alliage de métaux sous forme de poudre, de sorte que lors du frittage qui succède, il se forme des composés intermétalliques, sous forme de liaisons dans les espaces intermédiaires résiduels entre les billes creuses; ensuite est effectué un frittage complémentairede façon à ce qu'à une température appropriée, le matériau pré-fritté constitué de billes et de poudre de remplissage, soit lié de manière

intermétallique, localement de manière résistante.

il Le composé intermétallique peut être constitué

par un composé aluminium-titane (TiAl).

En variante, le composé intermétallique peut

être constitué par un composé aluminium-nickel (NiAl).

En ce qui concerne les matériaux céramiques ou métalliques cités, il est possible de mettre en oeuvre un renfort de fibres de la matrice de céramique ou de

métal considérée.

Selon une autre variante de matériau de construction léger pour les aubes mobiles 2, il est possible de prévoir une matrice de titane renforcée de

fibres de carbure de silicium.

Claims (14)

REVENDICATIONS.

1. Roue mobile (1) destinée à une turbomachine, notamment une turbine à gaz à écoulement axial d'un groupe propulseur à turbine à gaz, dans laquelle les aubes mobiles (2) sont ancrées par un profil à dents des pieds d'aubes (3), dans des rainures axiales (4) de forme correspondante de la couronne de roue (5), caractérisée - en ce que sont prévues exclusivement des aubes mobiles (2) de faible masse, - en ce que tous les pieds d'aubes (3) comportent un tronçon de pied présentant des deux côtés, de manière symétrique, un profil en forme d'une seule dent (Z), - en ce que chaque pied d'aube (3) se raccorde de manière symétrique à une partie terminale (6), qui présente une section transversale de pied réduite par rapport au tronçon de pied comportant la denture (Z), - et en ce que chaque partie terminale (6) est guidée de manière radialement mobile, par des surfaces extérieures (F) arrondies, dans une cavité (7) agencée dans le fond

de rainure.

2. Roue mobile selon la revendication 1, caractérisée en ce que la partie terminale (6) est réalisée sur un pied d'aube (3) du type en forme de

queue d'aronde.

3. Roue mobile selon la revendication 1, caractérisée en ce que la partie terminale (6) est réalisée sur un pied d'aube (3) du type en forme de tête

de marteau.

4. Roue mobile selon l'une des revendications

1 à 3, caractérisée en ce que chaque partie terminale (6) est logée, par des surfaces extérieures (F) arrondies ou bombées le long de toute la longueur, des deux côtés de manière symétrique, dans la cavité (7) à

parois axialement et radialement droites.

5. Roue mobile selon la revendication 1, caractérisée en ce que le pied de chaque aube mobile (2), vu du haut à l'extérieur vers le bas à l'intérieur, présente une section transversale de pied tout d'abord rétrécie en forme de col, se raccordant ensuite à la

denture de pied (Z) prévue des deux côtés.

6. Roue mobile selon l'une des revendications

1 à 5, caractérisée en ce que les surfaces extérieures arrondies de chaque partie terminale sont formées par une section transversale de partie terminale au moins partiellement de forme elliptique, en forme de vase ou

de forme circulaire.

7. Roue mobile selon la revendication- 1, caractérisée en ce que les aubes mobiles (2) sont disposées de manière à s'opposer à la torsion et/ou à amortir les vibrations, par un système d'anneau de

renfort à leurs extrémités d'ailette extérieures.

8. Roue mobile selon la revendication 1, caractérisée en ce que toutes les aubes mobiles (2) sont fabriquées en un matériau céramique, de faible masse et

résistant aux températures élevées.

9. Roue mobile selon la revendication 1, caractérisée en ce que toutes les aubes mobiles (2) sont fabriquées en un matériau de construction léger, de faible masse, résistant aux températures élevées et

présentant une structure alvéolée, globulaire.

10. Roue mobile selon la revendication 1 ou 9, caractérisée en ce que toutes les aubes mobiles (2) sont fabriquées en un composé intermétallique de faible

masse, et en alliages de celui-ci.

11. Roue mobile selon la revendication 10, caractérisée en ce que le composé intermétallique est

constitué d'un composé aluminium-titane (TiAl).

12. Roue mobile selon la revendication 10, caractérisée en ce que le composé intermétallique est

constitué d'un composé aluminium-nickel (NiAl).

13. Roue mobile selon la revendication 8 ou 10, caractérisée en ce que le matériau de l'aube, respectivement la matrice céramique ou métallique, est

renforcé par des fibres.

14. Roue mobile selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau de construction léger des aubes mobiles (2) est constitué d'une matrice de

titane renforcée de fibres de carbure de silicium.