FR2939835A1 - Joint d'etancheite de plateforme dans un rotor de turbomachine, methode pour ameliorer l'etancheite entre une plateforme et une aube de turbomachine. - Google Patents

Abstract

La présente invention porte sur un joint d'étanchéité (16) en matériau élastomère de plateforme (4) intercalaire entre deux aubes adjacentes dans un rotor de turbomachine, de forme allongée et comprenant transversalement une partie de contact, une partie d'attache et une partie flexible entre la partie d'attache et la partie de contact. Le joint est caractérisé par le fait qu'il comprend l'un des moyens suivants, renfort local de la partie flexible, partie de contact en forme de lèvre, partie de contact non continue dans le sens de la longueur, permettant d'éviter les déchirements qui résulteraient des efforts centrifuges sur le joint.

Description

Joint d'étanchéité de plateforme dans un rotor de turbomachine, méthode pour améliorer l'étanchéité entre une plateforme et une aube de turbomachine La présente invention concerne le domaine des turboréacteurs multiflux, notamment à double flux, et plus généralement celui des turbomachines.

Un turboréacteur à double flux comprend un moteur à turbine à gaz parcouru par un flux de gaz désigné flux primaire entraînant une soufflante délivrant un flux d'air, désigné flux secondaire. Lorsque la soufflante est disposée à l'avant du moteur, elle refoule l'air aspiré qui est séparé en deux flux concentriques : l'un le flux primaire l'autre le flux secondaire. L'air du flux primaire est comprimé à nouveau puis mélangé à un carburant dans une chambre de combustion pour produire un flux gazeux à haute énergie qui met en mouvement les turbines disposées en aval. L'une des turbines est reliée par un arbre au rotor de soufflante qu'il entraîne. Le flux secondaire dans les moteurs civils fournit la majorité de la poussée du moteur et le diamètre de la soufflante est par conséquence très important.

Le rotor de soufflante comprend une roue dont le moyeu est solidaire de l'arbre d'entraînement et la jante comprend des alvéoles orientées sensiblement axialement. La direction axiale est celle de l'arbre moteur. Les aubes sont engagées par leur pied dans les alvéoles individuelles, et forment le rotor de soufflante. Une aube de soufflante comprend un pied, une pale de profil aérodynamique et une échasse entre le pied et la pale. Pour constituer la surface frontière entre la jante du rotor et la veine d'air et assurer la continuité de la veine primaire, des plateformes intercalaires sont disposées entre les aubes. Se différentiant des étages supérieurs de compression et en raison des dimensions importantes des aubes, les plateformes du rotor de soufflante ne font partie intégrante des aubes mais sont des pièces séparées. Il est à noter que le rayon interne de la veine d'air s'accroit de manière notable entre l'entrée et la sortie du rotor de soufflante.

Un jeu est ménagé entre les plateformes et les aubes pour permettre à ces dernières un débattement limité pendant les différentes phases de fonctionnement du moteur. Ce jeu est colmaté par un joint en matériau élastomère fixé le long des bords latéraux de la plateforme et prenant appui contre l'aube adjacente.

Le joint est, selon l'art antérieur, de forme allongée à profil constant d'une extrémité à l'autre. Transversalement, il est composé de trois parties : une partie d'attache à la plateforme, une partie flexible et une partie renflée conformée de manière à assurer un contact avec la surface de la pièce adjacente. La partie flexible permet une adaptation du joint à la distance séparant le bord de la plateforme de la surface de l'aube en vis-à-vis.

On constate qu'après une certaine durée de fonctionnement de la turbomachine sur laquelle ils sont montés, ils présentent des zones de rupture. Il s'ensuit une perte d'étanchéité en pied d'aube de soufflante. Une mauvaise étanchéité a un impact sur le débit et le rendement des étages de compresseur directement en aval de la soufflante. Elle a aussi un impact sur la marge au pompage.

Les joints sont donc des pièces qu'il convient de remplacer régulièrement pendant la vie de la turbomachine pour assurer un fonctionnement optimal de cette dernière.

La présente invention a pour objet d'améliorer la réalisation de l'étanchéité entre les aubes et les plateformes d'un rotor de turbomachine à plateformes intercalaires libres dans le but de réduire la fréquence de remplacement des joints.

Les ruptures de joints sont dues aux contraintes résultant des déformations induites par les déplacements relatifs circonférentiels et axiaux entre les plateformes et les aubes pendant les différentes phases de fonctionnement de la turbomachine.

La demanderesse s'est fixé comme objectif de modifier le seul joint sans intervenir sur les pièces du rotor.

L'observation des joints déchirés montre une tendance au retournement dans la partie du joint située en aval sur la plateforme. Ce retournement provoque une déformation importante dans une zone de transition avec la partie du joint non retournée. Cette zone est alors le siège de contraintes qui sont susceptibles de conduire à sa rupture localement. L'analyse montre qu'une origine de cette déformation viendrait de la position dans l'espace des joints - ils ne sont pas orientés parallèlement à l'axe moteur mais inclinés fortement en suivant l'augmentation du rayon de la plateforme de l'amont vers l'aval - les contraintes auxquelles les joints sont soumis ne sont pas uniformes sur leur longueur. Les efforts centrifuges sont donc plus importants sur la partie aval que sur la partie amont et engendrent des déformations différentes entre l'amont et l'aval. L'effet est renforcé par un jeu non constant de l'amont vers l'aval entre la plateforme et la surface de l'aube. Le jeu se réduit vers l'aval et la partie renflée du joint est donc poussée, sur la circonférence, vers l'intérieur de la plateforme. On a constaté ainsi que la partie aval du joint était susceptible de venir se plaquer contre la plateforme.

C'est ainsi que l'invention parvient à pallier ces inconvénients avec un joint d'étanchéité de plateforme intercalaire entre deux aubes adjacentes dans un rotor de turbomachine, de forme allongée entre une extrémité amont et une extrémité aval, comprenant transversalement dans le sens de la largeur une partie de contact, une partie d'attache et une partie flexible entre la partie d'attache et la partie de contact.

Le joint est caractérisé par le fait qu'il comprend l'un des moyens suivants, renfort local de la partie flexible, partie de contact en forme de lèvre, partie de contact non continue dans le sens de la longueur, permettant d'éviter les déchirements qui résulteraient des efforts centrifuges sur le joint.

La solution de l'invention a donc consisté à mettre en place un moyen visant à réduire l'impact des efforts centrifuges sur le joint pendant le fonctionnement de la turbomachine.

Un premier moyen consiste à former un renfort local de la partie flexible.

Un mode de réalisation de ce moyen comprend au moins une nervure transversale sur la partie flexible. Plus particulièrement la nervure est disposée dans la zone du joint susceptible de se déformer par retournement.

Un autre mode de réalisation pour un joint en matériau élastomère est d'intégrer un élément rigidifiant dans le matériau élastomère. Il peut s'agir d'une toile ou bien d'une membrane.40 Un deuxième moyen consiste en un joint formant une lèvre avec une section transversale de la partie de contact qui est la même que celle de la partie flexible. Dans ce cas le joint peut aussi comprendre un élément de renfort interne. Un troisième moyen consiste en un joint d'étanchéité dont la partie de contact est rendue discontinue dans le sens de la longueur par formation d'une entaille.

10 On améliore encore la tenue du joint d'étanchéité en chanfreinant au moins une extrémité. Le chanfrein consiste en une coupe du joint en biseau.

L' invention porte également sur une plateforme intercalaire de rotor de turbomachine comprenant un tel joint d'étanchéité au moins le long d'un 15 bord latéral longitudinal.

La plateforme est agencée pour être montée sur un rotor de soufflante de turboréacteur.

20 Conformément à un mode de réalisation particulier, la plateforme est agencée pour être montée sur un rotor de manière à présenter, à une extrémité axiale du rotor, un diamètre supérieur à celui de l'autre extrémité. La plateforme est pourvue d'un joint d'étanchéité dont la section la plus faible est du côté à plus grand diamètre. 25 L' invention porte également sur un rotor de turbomachine comportant lesdites plateformes intercalaires et plus particulièrement sur un rotor de soufflante de turboréacteur.

30 L'invention porte également sur une méthode pour améliorer l'étanchéité entre une plateforme et une aube d'un rotor de turbomachine réalisée par un joint de forme allongée s'étendant de l'amont vers l'aval et comprenant transversalement, dans le sens de la largeur, une portion de contact, une portion d'attache et une portion flexible entre la portion 35 d'attache et la portion de contact. Elle est caractérisée par le fait qu'elle consiste à déterminer entre l'extrémité amont et l'extrémité aval une zone de déformation maximale du j oint et à modifier le j oint de manière à réduire les déformations dans ladite zone de déformation.5 Le joint selon un mode de réalisation est modifié par un renforcement dans la zone située en aval de la zone de déformation maximale. Notamment le joint est renforcé par au moins une nervure transversale dans la partie flexible ou bien au moyen d'une âme rigidifiant l'ensemble.

Selon un autre mode de réalisation le joint est modifié en le rendant plus souple avec une entaille dans la zone de déformation maximale.

On décrit ci-après un mode de réalisation de l'invention, à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins sur lesquels La figure 1 montre une vue en perspective cavalière, d'une partie d'un rotor de soufflante d'un turboréacteur à double flux. La figure 2 montre une vue en perspective d'une plateforme avec des joints d'étanchéité latéraux. La figure 3 représente une section du joint d'étanchéité correspondant à une coupe selon la direction III-III de la figure 2. La figure 4 montre une simulation de la déformation possible du joint de l'art antérieur, La figure 5 montre, en perspective, un joint conforme à l'invention, avec un renfort local, La figure 5A est une vue en coupe du joint de la figure 5 selon la section AA, La figure 6 est une vue en coupe d'un joint conforme à l'invention avec un renfort interne, La figure 7 est une vue en coupe d'un joint conforme à l'invention de type à lèvre, La figure 8 est une vue en coupe transversale d'un joint conforme à l'invention, de type à lèvre avec un renfort interne, La figure 9 est une vue en perspective d'un joint conforme à l'invention avec une solution de continuité entre les extrémités, La figure 9A est une vue en coupe du joint de la figure 9 montrant l'amplitude de débattement obtenu.

On voit sur la figure 1, en perspective partielle, les éléments constitutifs d'un rotor de soufflante d'un moteur à double flux. Le disque 1 comprend sur sa jante 10 des alvéoles 11, cinq sur la figure, orientées sensiblement axialement par rapport à l'axe du moteur XX. Les alvéoles sont à section en queue d'aronde avec des bords longitudinaux tournés vers l'axe XX. Les aubes sont glissées dans les alvéoles par une extrémité ouverte. On a représenté une aube seule 2 en position pour son introduction dans l'alvéole. L'aube 2 comprend un pied 21, une échasse 22 et une pale 20. Le pied 21 est conformé de manière à venir se loger dans une alvéole 11, avec des renflements latéraux par lesquels il s'appuie, en direction radiale vers l'extérieur, contre les bords longitudinaux de l'alvéole tournés vers l'axe XX. Le pied est maintenu en appui par des cales 3 qui sont glissées au montage, sous le pied 21, le long du fond de l'alvéole 11. Le dispositif de maintien des aubes sur le disque comprend en outre des moyens, ici non représentés, de verrouillage axial des aubes individuellement par rapport au disque.

Les aubes de soufflante ne comportent pas de plateforme intégrée, à la différence des autres aubes de compresseur sur la turbomachine. La fonction est assurée par des plateformes intercalaires, libres, en partie, de mouvement par rapport aux aubes. Une plateforme 4 est représentée sur la figure 1. Le rotor comprend autant de plateformes que d'aubes. Elles sont disposées entre deux aubes adjacentes. Une plateforme 4 comprend une plaque de forme sensiblement tronconique 40 délimitant la partie de surface radialement intérieure de la veine d'air primaire guidée entre deux aubes adjacentes. Elle est retenue sur le disque en trois points et comporte trois languettes radiales visibles nettement sur la figure 2. La languette amont 43 est percée axialement et fixée par une clavette non représentée à une bride amont 13 sur la face amont du disque. Une languette intermédiaire 45, radiale également, est retenue par une clavette non représentée à une languette 15 radiale positionnée sur la jante du disque entre deux alvéoles. La troisième languette 47 retient, à l'aval, la plaque 40 à la languette 17 radiale par laquelle le disque est fixé au tambour du compresseur immédiatement aval, désigné communément booster et non représenté. Les clavettes sont orientées selon l'axe XX et permettent à la plateforme d'être retenues à la fois axialement et radialement.

Afin d' assurer l'étanchéité entre la veine et le volume intérieur du rotor, des joints 5 et 6 en matériau élastomère sont disposés le long des plateformes. Un joint est montré sur la figure 3 qui est une coupe transversale selon la direction III-III. Le joint 6 est en trois parties : une partie d'attache 61, une partie de liaison flexible 62 et une partie de contact 63. Le joint est rendu solidaire de la plateforme par adhérisation de la partie d'attache 61 dans une rainure ménagée le long du bord latéral de la plaque 40 formant la plateforme. La partie de contact est de préférence à section renflée, ovale ou circulaire de préférence. Sa forme assure un bon contact tangentiel avec la pièce voisine, mais aussi elle donne de la raideur au joint et lui confère de l'inertie pour un appui satisfaisant. La partie de liaison 62 est plus étroite que la partie de contact et est flexible pour permettre au joint de s'adapter. Comme on le voit sur la figure 3, la partie de contact s'étend au-delà du bord de la plateforme pour venir au contact de la surface adjacente de l'aube.

Lorsque le joint est de forme constante sur toute sa longueur, on constate qu'il se déforme de façon non homogène. Les déformations créent des contraintes qui engendrent des ruptures dommageables pour l'étanchéité.

La figure 4 représente une simulation des déformations qu'est susceptible de subir le joint en fonctionnement. On distingue trois zones.

Une première zone A, est située sur la partie amont de la plateforme, où la forme du joint correspond à celle attendue lorsqu'il est en place sur la plateforme et en appui extérieur contre l'échasse de l'aube adjacente. Dans la zone C, le joint est retourné ; la partie de contact 63 au lieu d'être en appui extérieur est rabattue contre la plateforme. Cette position, non souhaitée, est due aux efforts centrifuges combinés aux efforts latéraux exercés par l'échasse. La zone B intermédiaire entre les zones A et C subit une déformation maximale et est le siège des ruptures.

La figure 5 représente, à la fois dans le sens de la longueur et en section, un premier moyen consistant à renforcer localement la partie flexible du joint.

Le joint 15 est comme dans l'art antérieur, à section en trois parties d'une extrémité à l'autre. Il comprend une partie d'attache, une partie flexible et une partie de contact.

On distingue dans le sens de sa longueur, l'extrémité amont et l'extrémité aval ; l'amont et l'aval correspondent aux extrémités de la plateforme sur lequel le joint est destiné à être placé. Entre ces deux extrémités le joint comprend deux zones, D et E respectivement. Dans la zone D, amont, le profil n'est pas modifié par rapport à l'art antérieur avec une partie d'attache 151 pour être collée à la rainure correspondante de la plateforme, une partie flexible 152 et une partie de contact 153 de forme ici circulaire.40 La longueur de la zone D est sensiblement comprise entre la moitié et les deux tiers de la longueur du joint.

Dans la zone E, à l'aval, la partie flexible du joint a été rendue plus rigide par des nervures disposées en travers, au moins une, ici quatre régulièrement réparties. La section A-A du joint montre que la partie d'attache 151 est reliée à la partie de contact 153 par la partie flexible 152 renforcée par une nervure 152'. La partie de contact 153 n'est pas modifiée par rapport à la zone amont. Par ce renfort 152' les efforts tendant au retournement du joint dans cette zone E. En procédant à des essais avec le joint ainsi modifié, on n'a constaté aucune déformation dommageable pour l'intégrité du joint.

De préférence la zone de raccordement entre la partie flexible 152 et la partie de contact 153 est arrondie et ne présente pas d'arête de façon à réduire les risques d'amorce de rupture.

Un autre mode de renfort est montré sur la figure 6. On a représenté le joint 16 seulement en coupe transversale. Pour le reste il est semblable aux joints de l'art antérieur. Le joint comprend une partie d'attache 161, une partie flexible 162 et une partie de contact 163. Le joint est en un matériau élastomère mais a été renforcé intérieurement par une âme 164 en forme de membrane ou d'une toile rigidifiant l'ensemble, moins souple que l'élastomère. Cette âme suit le profil transversal du joint avec des segments dans la partie d'attache 161, la partie flexible 162 et la partie de contact 163 respectivement. Ce renfort interne s'étend au moins le long de la zone aval, comme dans la zone E de la figure 5.

La figure 7 montre en coupe transversale un autre mode de réalisation du joint conforme à l'invention. Le joint 17 comprend trois parties : partie d'attache 171, partie flexible 172 et partie de contact 173. La partie de contact est en forme de lèvre dont la section est étroite comme dans la partie flexible.

La figure 8 montre une variante 18 de la réalisation de la figure 6 avec un élément de renfort interne 184 formant une âme. La forme est la même que celle du joint de la figure 7.

La figure 9 représente une autre solution de l'invention visant à réduire les déformations engendrées par les efforts centrifuges. Le joint 19 a une forme générale semblable à celle du joint de l'art antérieur : une partie d'attache, 191, une partie flexible 192 et une partie de contact 193. Par une entaille 194 dans la zone de transition entre la zone amont D et la zone aval E où les efforts centrifuges sont élevés, on évite l'apparition de contraintes internes élevées dans cette zone de transition qui résulteraient de déformations du joint. Ces contraintes engendreraient des déchirures incontrôlées.

La figure 9A montre que l'entaille 194 permet au joint un débattement libre plus large. La discontinuité permet de ne pas cisailler le joint en fatigue en positionnant l'entaille convenablement. En effet, à l'avant, le joint est coincé entre l'aube, le disque et la plateforme et à l'arrière, il a une certaine liberté de débattement.

La solution de l'invention consiste à faire évoluer le profil du joint pour tenir compte de la non-uniformité des efforts auxquels il est soumis. De préférence la zone de raccordement entre la partie flexible et la partie de contact est arrondie de façon à réduire les risques d'amorce de rupture.

On a décrit un exemple de réalisation correspondant au cas d'un rotor de soufflante de turboréacteur à double flux. Dans ce cas, le rayon intérieur de la veine primaire subit une variation importante entre l'entrée et la sortie de la veine. En outre le jeu entre la plateforme et l'aube n'est pas constant non plus, il se réduit entre l'amont et l'aval.

L'invention s'applique de façon plus générale à toute turbomachine présentant une disposition similaire. 35

Claims (16)

1. Revendications1. Joint d'étanchéité (15,16,17,18,19) en matériau élastomère de plateforme (4) intercalaire entre deux aubes adjacentes dans un rotor de turbomachine, de forme allongée avec une extrémité amont et une extrémité aval, comprenant transversalement, dans le sens de la largeur une partie de contact (153, 163 ,173, 183, 193), une partie d'attache (151,161,171,181,191) et une partie flexible (152, 162, ,172,182,192') entre la partie d'attache (151, 161,171,181,191) et la partie de contact (153, 163 ,173, 183, 193), caractérisé par le fait qu'il comprend l'un des moyens suivants, renfort local (152', 164) de la partie flexible (152, 162), partie de contact (173, 183) en forme de lèvre, partie de contact (193) non continue (194) dans le sens de la longueur, permettant d'éviter les déchirements qui résulteraient des efforts centrifuges sur le joint.
2. 2. Joint d'étanchéité selon la revendication précédente, dont le moyen formant renfort local de la partie flexible comprend au moins une nervure (152') transversale sur la partie flexible (152).
3. 3. Joint d'étanchéité selon la revendication 2, dont la nervure (152') est disposée dans la zone (E ) du joint (15) susceptible de se déformer par retournement.
4. 4. Joint d'étanchéité selon la revendication 1, en matériau élastomère, 30 dont le moyen formant renfort local de la partie flexible comprend un élément rigidifiant (164), intégré dans le matériau élastomère.
5. 5. Joint d'étanchéité selon la revendication précédente dont l'élément rigidifiant (164) est une toile ou une membrane.
6. 6. Joint d'étanchéité selon la revendication 1, dont le joint (17) forme une lèvre et la section transversale (173) de la partie de contact est la même que celle de la partie flexible (172). 35
7. 7. Joint d'étanchéité selon la revendication 1 dont la partie de contact est rendue discontinue dans le sens de la longueur par formation d'une entaille (194).
8. 8. Joint d'étanchéité selon l'une des revendications précédentes dont au moins une extrémité est chanfreinée.
9. 9. Plateforme intercalaire (4) de rotor de turbomachine comprenant un joint d'étanchéité selon l'une des revendications précédentes au moins le long d'un bord latéral longitudinal.
10. 10.Plateforme selon la revendication précédente agencée pour être montée sur un rotor de soufflante de turboréacteur.
11. 11.Rotor de turbomachine comportant des plateformes intercalaires selon l'une des revendications 9 et 10.
12. 12.Méthode pour améliorer l'étanchéité entre une plateforme et une aube d'un rotor de turbomachine réalisée par un joint de forme allongée (15,16,17,18,19) s'étendant de l'amont vers l'aval et comprenant transversalement, dans le sens de la largueur, une portion de contact, une portion d'attache et une portion flexible entre la portion d'attache et la portion de contact, caractérisée par le fait qu'elle consiste à déterminer entre l'extrémité amont et l'extrémité aval une zone de déformation maximale du joint (15, 16, 17, 18, 19) en fonctionnement de la turbomachine et à modifier le joint de manière à réduire les déformations dans ladite zone de déformation.
13. 13.Méthode selon la revendication précédente selon laquelle on renforce le joint dans la zone située en aval de la zone de déformation maximale.
14. 14.Méthode selon la revendication précédente selon laquelle on renforce le joint en ménageant au moins une nervure transversale (152') dans la partie flexible (152).
15. 15.Méthode selon la revendication 13 selon laquelle on renforce le joint au moyen d'une âme (164, 184) rigidifiant l'ensemble.
16. 16.Méthode selon la revendication 12 selon laquelle on entaille (194) le joint dans la zone de déformation maximale.