FR2901305A1 - Disque de turbine monobloc - Google Patents

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Abstract

La présente invention porte sur un disque aubagé monobloc de turbine comportant un moyeu central (10) et des aubes (9) en périphérie. Il est caractérisé par le fait qu'il comprend une première aile radiale (2a) et une seconde aile radiale (2b) entre le moyeu (10) et les aubes (9) espacées axialement l'une de l'autre et ménageant avec les aubes une cavité interne (E). L'invention porte également sur le procédé de fabrication qui comprend le forgeage d'un lopin de métal de façon à obtenir une pièce en forme de disque, l'usinage de la pièce de façon à obtenir deux ailes radiales (2a, 2b) séparées axialement, l'application d'éléments en forme de plate-forme (8) et d'aubes (9) à la périphérie des ailes radiales.

Description

périphérie, caractérisé par le fait qu'il comprend une première aile
radiale et une seconde aile radiale entre le moyeu et les aubes espacées axialement l'une de l'autre et ménageant avec les aubes une cavité interne.
La technique relative aux disques aubagés monobloc ou désignés aussi DAM est en soi connue. Selon cette technique les aubes forment une seule pièce avec le disque les supportant. On les connaît surtout comme rotors de compresseur et sont fabriqués généralement par usinage d'une pièce préformée par forgeage pour former les différents profils, dont les aubes.
Le document EP-A-164 272 montre une application de cette technique appliquée à une turbine avec des canaux internes pour la circulation d'un fluide de refroidissement mais il s'agit, dans l'exemple d'un rotor axial, de canaux de refroidissement des aubes sur le rotor.
L' invention permet donc de ménager une cavité en utilisant la matière le constituant de façon optimale. Plus particulièrement, la première aile comprend des perçages axiaux communiquant avec la cavité, et de préférence la première aile est solidaire d'au moins un anneau d'étanchéité avec le stator afin de faciliter la communication avec des injecteurs d'air ménagés sur le stator. La cavité alimente avantageusement des aubes creuses pour leur refroidissement.
L'invention porte également sur un procédé de fabrication d'un disque aubagé monobloc. Il comprend, le forgeage d'un lopin de métal en une pièce en forme de disque, l'usinage de la pièce de façon à obtenir deux ailes radiales séparées axialement, et l'application, de préférence la construction, d'éléments en forme de plates-formes et d'aubes à la périphérie des ailes radiales. De préférence, les éléments en forme de plates-formes et d'aubes sont façonnés directement sur la pièce usinée plus particulièrement par dépôt de métal en couches successives à partir de la périphérie des deux ailes. Une finition par usinage est le cas échéant nécessaire.
Selon un mode de mise en oeuvre particulier, le façonnage comprend le dépôt de métal sur une pièce intermédiaire à section en forme d'arc joignant les ailes à leur périphérie.
Selon un mode préféré de fabrication, le dépôt de métal est effectué par projection de poudre métallique dans un faisceau laser.40 On décrit maintenant un exemple de réalisation de l'invention, non limitatif, en référence aux dessins en annexe sur lesquels :
La figure 1 montre une portion d'un quart de disque aubagé monobloc de turbine, vue en perspective et coupée selon deux plans radiaux longitudinaux et orthogonaux entre eux, La figure 2 montre le même disque que sur la figure 1 sous un angle différent, La figure 3 montre, vue en perspective et agrandie, la même portion de rotor que précédemment, La figure 4 montre une étape de fabrication de la plate-forme par empilement de couches successives, La figure 5 montre l'usinage de la plate-forme le long des faces latérales, La figure 6 montre la progression de la construction des aubes, La figure 7 montre une variante de construction de la plate-forme avec un élément support en forme de voûte mis en place avant empilement des couches successives, Les figures 8 à 17 montrent les étapes de construction de la plate- forme selon une autre variante de l'invention.
Le disque aubagé monobloc, DAM 1, de l'invention comprend une première aile 2a, ici du côté amont par rapport à l'écoulement gazeux, et une seconde aile 2b, côté aval. Ces deux ailes sont disposées, en travers, radialement par rapport au moyeu 10 d'axe XX. Le moyeu est évidé en son centre. Les deux ailes sont distantes axialement l'une de l'autre. Elles s'amincissent depuis leur racine sur le moyeu jusqu'à leur périphérie. Des aubes 9 de turbine sont chacune solidaires des deux ailes 2a et2b par l'intermédiaire d'une plate-forme commune 8, elle-même solidaire des deux ailes à la périphérie de ces dernières. Sur cette portion de disque quatre aubes 9 seulement ont été représentées mais elles s'étendent sur le pourtour des ailes. Les plates-formes généralement associées à chaque aube forment dans le cas présent une seule plate-forme continue circonférentiellement. Les aubes sont, en fonctionnement du moteur, balayées par le flux de gaz moteur chaud dont la veine annulaire est délimitée circonférentiellement et à l'intérieur par la surface externe de la plate-forme. Cette dernière ménage une surface interne en forme de voûte s'étendant entre les deux ailes, et qui délimite avec les deux ailes une enceinte E ou cavité. Les aubes sont creuses et comprennent des canaux radiaux 9a pour le fluide de refroidissement. Les canaux à l'intérieur des aubes communique avec l'enceinte E par des ouvertures 8a pratiquées à travers la voûte de la plate-forme 8.
Deux élément annulaires 5 et 6 sont associés à la face externe de la première aile 2. Il s'agit d'anneaux d'étanchéité formant une surface cylindrique et comportant des lames radiales dans des plans transversaux dont la fonction est de coopérer avec des surfaces annulaires en vis-àvis en un matériau abradable pour former des joints à labyrinthe. De part et d'autre et à proximité du moyeu 10, on distingue deux éléments s'étendant dans l'axe XX, l'un de forme conique 7b, l'autre cylindrique 7a, terminés chacun par une bride 7a' et 7b' respectivement pourvue de perçages axiaux pour le passage de boulons de fixation à d'autres éléments de rotor dans la turbine. L'aile 2a comporte entre les deux anneaux 5 et 6 des perçages axiaux 4 pour l'alimentation en air de la cavité E. En fonctionnement, comme on le voit sur la figure 3, l'air provenant des injecteurs disposés sur la stator en amont mais non visibles ici, est centrifugé vers la voûte de l'enceinté pour être forcé à travers les ouvertures 8a et les canaux internes 9a de refroidissement des aubes. Des ailettes 3 radiales s'étendant le long de l'une des ailes 2a ou 2b aident à la centrifugation de l'air.
On décrit maintenant un mode de fabrication du disque présenté ci-dessus. L'ensemble constitué par le moyeu 10 et les deux ailes 2a et 2b est une pièce forgée conventionnellement, par exemple en alliage à base Nickel à haute résistance et usinée par enlèvement de matière. La plate forme 8 est ensuite fabriquée par un dépôt de métal en couches superposées. Comme on le voit sur la figure 4, on a déposé une première couche Cl, C' 1, cylindrique en bout de chacune des deux ailes 2a et 2b, légèrement plus large que l'épaisseur en bout des ailes de manière que son bord soit légèrement en surplomb de chaque côté. On dépose ensuite une deuxième couche C2 et C'2 sur la première et ainsi de suite. Chaque nouvelle couche est un peu plus large que la couche sous jacente jusqu'à ce que les deux couches d'un même niveau se touchent et se confondent en une seule. Dans cet exemple, on dépose une seule couche C8 sur toute la largeur. Elle est plus large que les deux couches sous jacentes et ses bords latéraux sont en surplomb par rapport aux bords sous jacents. On poursuit ensuite la construction de la plate-forme jusqu'à ce qu'on obtienne la hauteur et la largeur voulues.
Chaque couche est formée par le dépôt successif de cordons de métal circonférentiellement accolés les uns aux autres avec recouvrement partiel de préférence. Le mode de dépôt de matière par apport de métal sous forme de fil ou de poudre dans un faisceau laser dirigé vers la surface à charger en métal est connu en soi. Il est utilisé par exemple pour la réparation d'aubes par rechargement en métal et reconstruction de surface. Le brevet US6269540 décrit un exemple de mise en oeuvre d'une telle technique. On achève la plate-forme en usinant les bords extérieurs de manière à obtenir le contour souhaité comme on le voit sur la figure 5 et on perce radialement les orifices pour la circulation du fluide de refroidissement dans les aubes. On construit ensuite les aubes à partir de la plate-forme, également par empilement de couches, ces dernières ménageant les canaux de circulation d'air ou de fluide de refroidissement à partir des orifices radiaux préalablement percés.
La figure 7 montre une variante de réalisation de la partie plate-forme. On dispose un support 20, préformé par déformation ou par usinage, entre les deux ailes, mis en place avant sa construction par empilement des couches successives. Cette préforme permet de conformer convenablement la surface interne de la cavité en une voûte. De préférence le métal de cette préforme est le même que celui de la plate-forme. On construit ensuite les aubes de la même façon que précédemment.
D'autres modes de construction de la plate-forme et des aubes conviennent.
Les figures 8 à 17 en montrent une variante avec une succession d'étapes à partir de la pièce forgée et usinée. On monte de préférence la pièce usinée sur un plateau pouvant être mis en position par rotation et translation selon plusieurs degrés de liberté.
Sur la figure 8, la pièce usinée est dans une première position ; elle est verticale. On dépose un premier cordon de métal selon la flèche F qui schématise le faisceau laser par exemple avec apport de métal en fusion. Le premier cordon M1 est déposé circonférentiellement sur une première aile 2a, en bordure interne de celle-ci. On construit la voûte de la plate-forme, en empilant les cordons circonférentiellement toujours dans la direction verticale de bas en haut et en faisant pivoter l'axe de la pièce. Les figures 9 à 12 montrent la progression de la construction de la surface en forme de voûte. Une fois le bord de l'autre aile 2b atteint, la surface 8b formant support de voûte est terminée. Sur la figure 13 on a placé le dernier cordon de matière Md de formation de la voûte 8b qui constitue ainsi le support de voûte par la suite. On dépose ensuite le premier cordon de matière Cl qui amorce la superposition des couches de formation de la plate-forme et constitue la base de la plateforme. Dans l'exemple représenté, l'aile 2a a été usinée en bout selon une surface tronconique 2a'. Le cordon Cl a été déposé le long de l'arête externe de la surface 2a'. Sur la figure 14 on voit le dépôt d'un cordon d'amorçage C' l des couches de plate-forme pour l'autre aile 2b usinée en bout également en une surface tronconique 2b'. Les deux surfaces tronconiques 2a' et 2b' permettent d'avoir des bases de la plateforme non dans le même plan que la surface de voûte 8b. Ces deux couches de base 2a' et 2b' étant posées, on construit la plate-forme par empilement de couches comme dans les modes de réalisation précédents. Sur la figure 15, on voit que l'on a construit quatre couches avant d'atteindre le niveau de la voûte. On voit sur la figure 16 la progression de la fabrication de la plate-forme. On procède ensuite à l'usinage de la plate- forme pour lui donner le contour voulu et former dans les zones déterminées les perçages de circulation d'air de refroidissement, comme on le voit sur la figure 17.
On poursuit ensuite la construction des aubes comme dans les exemples précédents.

Claims (13)

Revendications
1. Disque aubagé monobloc de turbine comportant un moyeu central (10) et des aubes (9) en périphérie, caractérisé par le fait qu'il comprend une première aile radiale (2a) et une seconde aile radiale (2b) entre le moyeu (10) et les aubes (9) espacées axialement l'une de l'autre et ménageant avec les aubes une cavité interne (E).
2. Disque aubagé monobloc selon la revendication 1, dont la première aile (2a) comprend des perçages axiaux (4) communiquant avec la cavité (E).
3. Disque aubagé selon la revendication 2 dont la première aile (2a) est solidaire d'au moins un anneau d'étanchéité extérieur (5, 6).
4. Disque aubagé monobloc selon la revendication 2 ou 3 dont les aubes (9) sont creuses, la cavité (E) communiquant avec l'intérieur des aubes.
5. Disque aubagé monobloc comportant des ailettes radiales (3) à l'intérieur de la cavité (E).
6. Disque aubagé monobloc selon l'une des revendications précédentes dont au moins l'un de la première (2a) ou de la seconde (2b) aile est solidaire d'une bride de fixation du disque à un élément de moteur à turbine à gaz.
7. Procédé de fabrication d'un disque aubagé monobloc selon l'une des revendications précédentes comprenant le forgeage d'un lopin de façon à obtenir une pièce en forme de disque, l'usinage de la pièce de façon à obtenir deux ailes radiales (2a, 2b) séparées axialement, l'application d'éléments en forme de plate-forme (8) et d'aubes (9) à la périphérie des ailes radiales.
8. Procédé selon la revendication 7 dont les éléments en forme de plate-forme et d'aubes sont façonnés directement sur la pièce usinée.
9. Procédé selon la revendication 8 dont les éléments en forme de plate-forme sont façonnés par dépôt de métal en couches successives à partir de la périphérie des deux ailes (2a, 2b). 1O.Procédé selon la revendication 9 dont le façonnage comprend le dépôt de métal sur une pièce support (20) à section en forme d'arc joignant les ailes à leur périphérie.
10
11.Procédé selon l'une des revendications 7 à 10 dont le façonnage comprend une étape d'usinage.
12.Procédé selon la revendication précédente dont le dépôt de métal est effectué par projection de poudre métallique ou par avance d'un fil 15 métallique dans un faisceau laser dirigé vers la surface à charger.
13. Turbomachine comprenant un disque aubagé monobloc de turbine selon l'une des revendications 1 à 6.5
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