FR2940350A1 - Roue mobile de turbomachine a aubes en materiau composite munie d'un anneau ressort. - Google Patents

Roue mobile de turbomachine a aubes en materiau composite munie d'un anneau ressort. Download PDF

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Abstract

L'invention concerne une roue mobile de turbomachine à aubes en matériau composite, comportant un flasque de montage (4), une pluralité d'aubes (16) en matériau composite montées sur le flasque de montage, chaque aube ayant un talon (20) en sommet muni de léchettes (22), un disque d'orientation (28) fixé coaxialement autour du flasque de montage et comprenant à sa périphérie extérieure une pluralité de fentes axiales ouvertes à une extrémité, chaque fente présentant une section transversale adaptée à la section transversale d'un pied (18) d'aube afin de le maintenir angulairement par coopération de forme, et un anneau ressort à diamètre variable (38) logé en partie dans une encoche axiale (26) formée dans chaque pied d'aube et faisant saillie axialement par rapport à celui-ci, l'anneau ressort étant apte à venir en butée radiale contre une surface interne (34a) du disque d'orientation lors d'un déplacement radial des aubes vers l'extérieur du flasque de montage.

Description

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des aubes de turbomachine en matériau composite comportant un renfort fibreux densifié par une matrice.
Le domaine visé est celui des roues mobiles à aubes en matériau composite pour moteurs aéronautiques ou turbines industrielles. La réalisation d'aubes en matériau composite pour des turbomachines a déjà été proposée. On pourra par exemple se référer à la demande de brevet FR 08 58090 (non publiée à ce jour) déposée conjointement aux noms de Snecma et de Snecma Propulsion Solide qui décrit la fabrication d'une aube de turbomachine par réalisation d'une préforme fibreuse par tissage tridimensionnel et densification de la préforme par une matrice. Dans le cas d'une roue mobile à aubes métalliques, celle-ci comporte généralement une pluralité d'aubes métalliques montées par leur pied sur un disque métallique et un carter métallique disposé autour de la roue mobile. Lors du montage (à froid) de la roue mobile à l'intérieur du carter, il est nécessaire de laisser un jeu radial entre le sommet des aubes et le carter qui entoure la roue mobile. Or, en fonctionnement (à chaud), ce jeu peut être à l'origine de fuites de gaz entre le sommet des aubes et le carter. Afin de réduire le risque que de telles fuites apparaissent, l'extrémité libre des aubes est généralement munie de léchettes radiales et un matériau abradable est monté sur une surface interne du carter en regard des léchettes. En fonctionnement de la roue mobile, le disque, les aubes et le carter qui entoure la roue se dilatent de sorte que les léchettes portées par les aubes viennent abraser le matériau abradable porté par le carter. De la sorte, le jeu laissé au montage entre le sommet des aubes et le carter a tendance à disparaître, ce qui limite les fuites de gaz. En revanche, dans le cas d'une roue mobile comprenant des aubes en matériau composite, les différences de dilatation entre la roue (en partie en matériau composite par ses aubes) et le carter (métallique) peuvent être importantes. Il en résulte qu'en fonctionnement à chaud, le jeu radial laissé au montage entre les léchettes des aubes et le matériau abradable du carter ne disparaît pas complètement, ce qui a pour conséquence que l'étanchéité entre la roue mobile et le carter n'est plus totalement assurée.
Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant une roue mobile de turbomachine à aubes en matériau composite dont l'étanchéité avec le carter qui l'entoure peut être assurée en fonctionnement. Selon l'invention, ce but est atteint grâce à une roue mobile comportant un flasque annulaire de montage ; une pluralité d'aubes en matériau composite montées sur le flasque de montage par leur pied, chaque aube ayant en outre un talon en sommet muni de léchettes radiales destinées à venir abraser un matériau abradable porté par un carter entourant la roue ; un disque d'orientation fixé coaxialement autour du flasque de montage et comprenant à sa périphérie extérieure une pluralité de fentes axiales ouvertes à une extrémité, chaque fente présentant une section transversale adaptée à la section transversale d'un pied d'aube afin de le maintenir angulairement par coopération de forme ; et un anneau ressort à diamètre variable logé en partie dans une encoche axiale formée dans chaque pied d'aube et faisant saillie axialement par rapport à celui-ci, l'anneau ressort étant apte à venir en butée radiale contre une surface interne du disque d'orientation lors d'un déplacement radial des aubes vers l'extérieur du flasque de montage. La roue mobile selon l'invention est montée à froid à l'intérieur du carter en laissant un jeu radial entre les léchettes des aubes et le matériau abradable porté par le carter. En fonctionnement, sous l'effet de la force centrifuge exercée par la roue, les aubes se déplacent radialement vers l'extérieur du flasque de montage, entraînant l'anneau ressort qui vient en butée radiale contre le disque d'orientation. De la sorte, le jeu radial entre les léchettes des aubes et le matériau abradable peut être comblé en fonctionnement. L'étanchéité entre la roue mobile et le carter qui l'entoure est ainsi parfaitement assurée en fonctionnement. L'anneau ressort peut être réalisé dans un matériau apte à se dilater thermiquement de sorte que son diamètre varie en fonction de la température à laquelle il est soumis. L'anneau ressort peut aussi être ouvert de sorte que son diamètre varie lorsqu'il est soumis à une force centrifuge. Selon une disposition de l'invention, le flasque de montage comprend à une extrémité amont une paroi latérale faisant saillie vers l'extérieur, le disque d'orientation étant fixé sur le flasque de montage contre une extrémité aval de celui-ci. L'invention concerne également une turbomachine comportant au moins une roue mobile telle que définie précédemment.
Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue partielle en perspective et en éclaté d'une roue mobile selon l'invention ; - la figure 2 est une vue de la roue de la figure 1 une fois assemblée ; - les figures 3A et 3B sont des vues en coupe longitudinale de la roue des figures 1 et 2, respectivement à froid et à chaud ; - la figure 4 est une vue en coupe selon IV-IV de la figure 3A ; et - la figure 5 est une vue partielle et en perspective d'un anneau ressort pouvant être utilisé dans la roue mobile selon l'invention. 25 Description détaillée d'un mode de réalisation L'invention est applicable à différents types de roues mobiles munies d'aubes en matériau composite de turbomachine, notamment des roues mobiles de compresseur et de turbine de différents corps de 30 turbines à gaz, par exemple une roue mobile de turbine basse-pression d'une turbomachine aéronautique, telle que celle illustrée par les figures 1 à 4. Pour la suite de la description, les termes amont et aval seront définis par rapport au sens d'écoulement du flux gazeux traversant 35 la turbine basse-pression.
La roue mobile 2 représentée sur les figures 1 à 4 comporte notamment un flasque annulaire de montage 4 métallique qui est centré sur l'axe de rotation 6 de la roue. Le flasque de montage 4 comprend notamment une paroi axiale 8 se prolongeant, d'une part vers l'amont par une paroi amont radiale 10 dirigée vers l'extérieur (c'est-à-dire en sens opposé à l'axe de rotation 6), et d'autre part vers l'aval par une paroi aval radiale 12 munie de perçages 14. La roue mobile 2 comprend également une pluralité d'aubes 16 en matériau composite ayant chacune un pied d'aube 18 qui est monté sur le flasque de montage 4, et plus précisément contre la paroi axiale 8 et la paroi amont radiale 10. Chaque aube 16 est réalisée en matériau composite à partir de procédés connus de l'homme du métier. On pourra par exemple se référer à la demande de brevet FR 08 58090 qui décrit la fabrication d'une telle aube comprenant un renfort fibreux obtenu par tissage tridimensionnel de fils et densifié par une matrice. Chaque aube 16 est par ailleurs munie à son extrémité libre (ou sommet) d'un talon 20, celui-ci étant pourvu de léchettes radiales 22 destinées à venir abraser, de façon connue en soi, un matériau abradable 24 monté sur la surface interne d'un carter annulaire métallique centré sur l'axe 6 et entourant la roue mobile (non représenté sur les figures). Comme représenté de façon plus précise sur la figure 1, chaque aube 16 comprend également au niveau de son pied 18 une encoche axiale 26 pratiquée du côté aval.
La roue mobile 1 comprend encore un disque d'orientation 28 métallique qui est fixé coaxialement autour du flasque de montage 4. Ce disque d'orientation 28 est plus précisément monté autour du flasque de montage par l'aval. Au niveau son extrémité aval, il comprend une paroi radiale d'attache 30 qui vient en appui axial contre la paroi aval radiale 12 du flasque de montage 4, cette paroi d'attache 30 étant munie de perçages 32. Des systèmes de fixation (non représentés sur les figures), par exemple de type vis/écrou, traversant les perçages 14, 32 respectifs du flasque de montage 4 et du disque d'orientation 28 permettent d'assurer une fixation du disque d'orientation sur le flasque de montage.
Au niveau de sa périphérie extérieure, le disque d'orientation 28 comprend une paroi axiale 34 munie d'une pluralité de fentes axiales 36 qui sont ouvertes à leur extrémité amont. Chaque fente 36 présente, en coupe transversale (c'est-à-dire selon un plan radial perpendiculaire à l'axe 6), une section adaptée à la section transversale d'un pied d'aube 18 correspondant (voir la figure 4). De la sorte, les fentes 36 du disque d'orientation permettent de maintenir angulairement chaque pied d'aube par coopération de forme, c'est-à-dire d'éviter toute rotation des pieds d'aube autour de leur axe principal.
La roue mobile 2 comprend enfin un anneau ressort 38 qui est logé en partie dans les encoches axiales 26 des pieds 18 des aubes de sorte à faire saillie axialement par rapport à celui-ci. L'anneau ressort 38 est à diamètre variable, c'est-à-dire qu'il peut, en fonction des conditions thermiques et/ou physiques auxquelles il est soumis, voir son diamètre augmenter. L'anneau ressort peut ainsi être réalisé dans un matériau apte à se dilater thermiquement de sorte que son diamètre varie en fonction de la température à laquelle il est soumis. A titre d'exemple, l'anneau ressort peut être réalisé en métal du type acier-cobalt ou acier-nickel.
L'anneau ressort peut également être ouvert de sorte que son diamètre varie lorsqu'il est soumis à une force centrifuge. La figure 5 représente de façon partielle un exemple d'un anneau ressort 38 qui est ouvert. Sur cette figure 5, l'anneau ressort 38 n'est pas continu sur toute sa circonférence et présente à ses deux extrémités libres 40 des portions sensiblement planes qui se chevauchent angulairement. On comprend aisément que lorsqu'une force centrifuge est appliquée à un tel anneau ressort (c'est-à-dire lorsqu'il est soumis à une force radiale), les deux extrémités libres 40 vont avoir tendance à s'écarter l'une de l'autre faisant ainsi augmenter le diamètre de l'anneau.
L'anneau ressort peut encore présenter l'ensemble de ces caractéristiques (réalisé en un matériau pouvant se dilater thermiquement et être ouvert). Il est également possible de jouer sur la section de l'anneau ressort. Par ailleurs, comme représenté notamment sur les figures 3A et 3B, l'anneau ressort 38 est disposé radialement entre la paroi axiale 8 du flasque de montage 4 et la surface interne 34a de la paroi axiale 34 du disque d'orientation 28. De la sorte, lorsque les aubes 16 se déplacent radialement vers l'extérieur du flasque de montage 4 (figure 3B), l'anneau ressort 38 vient en butée radiale contre la surface interne 34a de la paroi axiale 34 du disque d'orientation.
Le fonctionnement de la roue mobile 2 selon l'invention est le suivant. A froid (figures 3A et 4), les aubes 16 sont montées sur le flasque de montage 4, leur pied respectif 18 venant en butée radiale contre la paroi axiale 8 du flasque de montage. Le disque d'orientation 28 est alors fixé autour du flasque de montage afin de bloquer en rotation les pieds des aubes. Ce montage à froid permet de laisser un jeu radial J entre les léchettes 22 du talon 20 des aubes et le matériau abradable 24. Ce jeu radial J est calculé pour correspondre sensiblement au jeu radial J' existant à froid entre l'anneau ressort 38 et la surface interne 34a de la paroi axiale 34 du disque d'orientation 28.
A chaud (figure 3B), c'est-à-dire en fonctionnement de la roue mobile, le carter portant le matériau abradable 24, le flasque de montage 4 et le disque d'orientation 28 qui sont métalliques se dilatent sous l'effet de la chaleur dégagée par les gaz traversant la turbine de sorte que leur diamètre respectif augmente. Quant aux aubes 16 qui sont réalisées en matériau composite, elles ne se dilatent que très faiblement. Par ailleurs, sous l'effet de la force centrifuge générée par la rotation de la roue mobile, les aubes 16 vont avoir tendance à se déplacer radialement vers l'extérieur du flasque de montage 4 de sorte à faire disparaître le jeu radial J entre les léchettes 22 du talon 20 des aubes et le matériau abradable 24. L'anneau ressort 38, qui voit également son diamètre augmenter (par dilatation thermique et/ou par effet de la force centrifuge), permet d'amortir ce déplacement radial des aubes vers l'extérieur et d'assurer une mise en butée radiale de ces aubes (par coopération avec la surface interne 34a de la paroi axiale 34 du disque d'orientation 28). L'étanchéité entre la roue mobile et le carter qui l'entoure est ainsi parfaitement assurée en fonctionnement.

Claims (4)

  1. REVENDICATIONS1. Roue mobile (2) de turbomachine à aubes en matériau composite, caractérisée en ce qu'elle comporte : un flasque annulaire de montage (4) ; une pluralité d'aubes (16) en matériau composite montées sur le flasque de montage par leur pied (18), chaque aube ayant en outre un talon (20) en sommet muni de léchettes radiales (22) destinées à venir abraser un matériau abradable (24) porté par un carter entourant la roue ; un disque d'orientation (28) fixé coaxialement autour du flasque de montage et comprenant à sa périphérie extérieure une pluralité de fentes axiales (36) ouvertes à une extrémité, chaque fente présentant une section transversale adaptée à la section transversale d'un pied d'aube afin de le maintenir angulairement par coopération de forme ; et un anneau ressort à diamètre variable (38) logé en partie dans une encoche axiale (26) formée dans chaque pied d'aube et faisant saillie axialement par rapport à celui-ci, l'anneau ressort étant apte à venir en butée radiale contre une surface interne (34a) du disque d'orientation lors d'un déplacement radial des aubes vers l'extérieur du flasque de montage.
  2. 2. Roue selon la revendication 1, dans laquelle l'anneau ressort (38) est réalisé dans un matériau apte à se dilater thermiquement de sorte que son diamètre varie en fonction de la température à laquelle il est soumis.
  3. 3. Roue selon l'une des revendications 1 et 2, dans laquelle l'anneau ressort (38) est ouvert de sorte que son diamètre varie lorsqu'il est soumis à une force centrifuge.
  4. 4. Roue selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le flasque de montage (4) comprend à une extrémité amont une paroi radiale (10) faisant saillie vers l'extérieur, le disque d'orientation (28) étant fixé sur le flasque de montage contre une extrémité aval de celui-ci. 35 . Turbomachine comportant au moins une roue mobile (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4.
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