FR2948736A1

FR2948736A1 - Secteur de virole exterieure pour couronne aubagee de stator de turbomachine d'aeronef, comprenant des cales amortisseuses de vibrations

Info

Publication number: FR2948736A1
Application number: FR0955439A
Authority: FR
Inventors: Laurent Gilles Dezouche; Patrick Edmond Kapala; Samir Zaidi
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2011-02-04
Anticipated expiration: 2029-07-31
Also published as: CA2769217A1; JP2013501181A; BR112012002304A2; WO2011012679A3; EP2459884B1; CN102472297A; FR2948736B1; US20120128482A1; JP5697667B2; EP2459884A2; RU2537997C2; RU2012107522A; WO2011012679A2

Abstract

L'invention se rapporte à un ensemble formant secteur de virole extérieure (28), pour secteur de couronne aubagée (20) destiné à équiper un stator de compresseur ou de turbine de turbomachine d'aéronef, comprenant une pluralité de secteurs élémentaires (30) et des cales amortisseuses de vibrations (34) chacune interposée entre deux secteurs élémentaires lui étant associés. Selon l'invention, chaque cale amortisseuse de vibrations (34) présente un profil sensiblement identique à celui des secteurs élémentaires (30).

Description

SECTEUR DE VIROLE EXTERIEURE POUR COURONNE AUBAGEE DE STATOR DE TURBOMACHINE D'AERONEF, COMPRENANT DES CALES AMORTISSEUSES DE VIBRATIONS DESCRIPTION

La présente invention se rapporte de façon 10 générale à une turbomachine d'aéronef, de préférence du type turboréacteur ou turbopropulseur. Plus particulièrement, l'invention concerne le stator de compresseur ou de turbine d'une telle turbomachine, et plus précisément un secteur de 15 couronne aubagée comprenant une pluralité d'aubes de stator ainsi que deux viroles concentriques portant les aubes et destinées à délimiter radialement un flux primaire traversant la turbomachine, respectivement vers l'intérieur et vers l'extérieur. Une telle 20 couronne aubagée, généralement réalisée à l'aide de plusieurs secteurs agencés bout à bout, est généralement utilisée dans le compresseur ou la turbine en tant que redresseur ou distributeur. Les turbomachines comportent généralement 25 en série un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression. Les compresseurs et les turbines comportent plusieurs rangées d'aubes mobiles espacées circonférentiellement, 30 ces rangées étant séparées par des rangées d'aubes fixes aussi espacées circonférentiellement. Dans les5 2 turbomachines modernes, les redresseurs et les distributeurs sont soumis à des sollicitations dynamiques élevées. En effet, l'évolution technologique conduit à une réduction du nombre des étages pour des performances égales ou supérieures, ce qui se traduit par une charge plus élevée pour chaque étage. D'autre part, l'évolution des technologies de production conduit à réduire le nombre de pièces, ce qui conduit à la diminution de l'effet amortisseur des liaisons entre les pièces. C'est le cas, notamment, lorsque l'on adopte une technologie de brasage de la cartouche d'abradable qui supprime une source importante de dissipation de l'énergie vibratoire. Pour résoudre ce problème de vibrations, il a été proposé, dans le document FR-A-2 902 843, de segmenter le secteur de virole extérieure en secteurs élémentaires espacés les uns des autres selon la direction tangentielle par des fentes ou découpes radiales, obliques ou autres, chaque secteur élémentaire portant une unique aube du secteur de couronne aubagée. De plus, des plaquettes d'amortissement en forme de languettes sont interposées entre les secteurs élémentaires. Le principe de fonctionnement repose sur l'introduction d'une non linéarité de raideur dans le comportement dynamique de la structure. Cette non linéarité est activée à partir d'un niveau vibratoire seuil du système. Cette activité vibratoire provoque un mouvement relatif entre les secteurs élémentaires des pales et les plaquettes amortissantes. Ce mouvement relatif provoque des pertes d'adhérence et des recollements successifs des 3 plaquettes amortissantes. Ils se traduisent par une variation continuelle de la raideur locale du système. De ce fait, le ou les modes responsables de l'activité vibratoire sont désorganisés par la variation permanente de leurs fréquences propres associées. Les résonances du système ne peuvent s'installer du fait de la variation continuelle de l'état du système dynamique. Il s'en suit une réduction des niveaux vibratoires du système.

Néanmoins, même si cette solution s'avère satisfaisante en termes d'amortissement des vibrations, elle reste perfectible. Surtout, dans cette solution proposée par le document FR-A-2 902 843, les plaquettes amortissantes sont maintenues plaquées contre les surfaces de friction des secteurs élémentaires par effet de gradient de pression entre la veine aérodynamique et l'extérieur du compresseur, appliquant à ces plaquettes un effort orienté radialement vers l'intérieur. L'inconvénient est que ce gradient de pression peut ne pas être suffisant pour assurer un plaquage adéquate des plaquettes contre les surfaces de friction. Dans un tel cas, il en découle non seulement une diminution des performances d'amortissement des vibrations, mais également une possible rupture d'étanchéité de la veine. En outre, un autre inconvénient relatif à cette solution réside dans la sur-sollicitation de l'une des aubes du secteur de couronne aubagée. En effet, les efforts aérodynamiques appliqués sur les aubes intègrent une composante tangentielle qui ne peut être reprise dans le secteur de virole extérieure, en 4 raison de sa segmentation en secteurs élémentaires espacés tangentiellement. Ainsi, ces composantes tangentielles se cumulent et transitent par le secteur de virole intérieure du secteur de couronne aubagée, avant de transiter par l'aube située au droit de la butée anti-rotation équipant le secteur de couronne. C'est donc cette aube qui est extrêmement sollicitée en raison de l'incapacité du secteur de virole extérieure à transmettre les efforts statiques selon la direction tangentielle. L'invention a donc pour but de remédier au moins partiellement aux problèmes mentionnés ci-dessus, relatifs aux réalisations de l'art antérieur. Pour ce faire, l'invention a tout d'abord pour objet un ensemble formant secteur de virole extérieure, pour secteur de couronne aubagée destiné à équiper un stator de compresseur ou de turbine de turbomachine d'aéronef, ledit secteur de virole extérieure comprenant d'une part une pluralité de secteurs élémentaires espacés les uns des autres selon une direction tangentielle dudit ensemble, et d'autre part des cales amortisseuses de vibrations chacune interposée entre deux secteurs élémentaires lui étant associés, positionnés de façon directement consécutive selon ladite direction tangentielle. Selon l'invention, chaque cale amortisseuse de vibrations présente un profil sensiblement identique à celui des secteurs élémentaires. De par le profil particulier des cales, l'interface de friction entre celles-ci et les secteurs élémentaires est de grande dimension, qui se traduit par un effet d'amortissement amélioré. De plus, un appui des cales contre les surfaces de friction des secteurs élémentaires permet 5 l'obtention d'une parfaite étanchéité entre ces éléments, indépendante du différentiel de pression entre la veine aérodynamique et l'extérieur du compresseur ou de la turbine. En effet, cette étanchéité est obtenue par construction, avec les cales exerçant des efforts sensiblement orientés selon la direction tangentielle contre les surfaces de friction des secteurs élémentaires. Il est noté que cette étanchéité est davantage renforcée en fonctionnement, puisque les efforts de plaquage entre les surfaces de friction et les cales sont accentués par l'application, sur les secteurs élémentaires, de la composante tangentielle des efforts aérodynamiques s'exerçant sur les aubes de stator. Pour ce qui concerne la composante tangentielle des efforts aérodynamiques s'exerçant sur les aubes, il est noté que l'un des avantages essentiels de la présente invention réside dans le fait que cette composante peut transiter par l'ensemble formant secteur de virole extérieure, puisque ce dernier, bien qu'il soit sectorisé selon la direction tangentielle, est fortement rigidifié dans cette même direction par l'emplacement particulier des cales amortisseuses de vibrations. Il n'en résulte aucune sur-sollicitation des aubes, qui sont donc chargées de façon sensiblement uniforme. 6 Enfin, il est indiqué qu'un adoptant un profil sensiblement identique à celui des secteurs élémentaires, la délimitation radiale extérieure du flux annulaire primaire, également dénommé veine, est parfaitement reconstituée entre les secteurs élémentaires espacés les uns des autres. De préférence, ladite cale est en appui contre deux surfaces de friction planes parallèles et en regard l'une de l'autre selon ladite direction tangentielle et respectivement prévues sur lesdits deux secteurs élémentaires associés à ladite cale, et ladite cale présente deux surfaces de friction planes complémentaires, parallèles entre-elles et coopérant respectivement avec les deux surfaces de friction des secteurs élémentaires. Les contacts plans entre les surfaces de friction et les surfaces de friction complémentaires permettent d'assurer un amortissement satisfaisant des vibrations par frottement. De plus, il est possible de réaliser simultanément les deux surfaces de friction au cours d'une unique opération d'usinage, par exemple un simple tronçonnage, afin d'obtenir des fentes droites, c'est-à-dire suivant un plan déterminé, fentes dans lesquelles sont ensuite logées les cales correspondantes. La fabrication de l'ensemble selon l'invention s'en trouve fortement simplifiée, ce qui procure un gain sensible en termes de coût et de temps. De préférence, ladite cale présente des crochets pour son maintien sur le stator de compresseur 30 ou de turbine, ces crochets disposant donc d'un même 7 profil que ceux des crochets portés par les secteurs élémentaires. De préférence, les secteurs élémentaires sont espacés les uns des autres par des fentes radiales entièrement comblées par lesdites cales amortisseuses de vibrations. Préférentiellement, lesdites cales amortisseuses de vibrations s'étendent sensiblement selon une direction axiale ou oblique dudit ensemble.

Un autre objet de la présente invention concerne un secteur de couronne aubagée destiné à équiper un stator de compresseur ou de turbine de turbomachine d'aéronef, comprenant un ensemble formant secteur de virole extérieure tel que décrit ci-dessus, un secteur de virole intérieure, ainsi qu'une pluralité d'aubes espacées tangentiellement les unes des autres et interposées entre l'ensemble formant secteur de virole extérieure et le secteur de virole intérieure. Ici, il est prévu que chaque secteur élémentaire porte une unique aube de stator, ou bien éventuellement plusieurs aubes, sans sortir du cadre de l'invention. La couronne aubagée peut constituer un redresseur de compresseur, ou bien un distributeur de turbine.

En outre, le secteur de couronne s'étend préférentiellement sur une étendue angulaire comprise entre 5 et 60°, mais pouvant aller jusqu'à 360° afin de constituer la totalité de la couronne aubagée. L'invention a également pour objet une turbomachine d'aéronef comprenant un stator de 8 compresseur ou de turbine équipé d'au moins un secteur de couronne aubagée tel que décrit ci-dessus. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous. Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels ; la figure 1 représente une vue schématique en coupe d'une turbomachine destinée à être équipée d'un ou plusieurs secteurs de couronne aubagée selon la présente invention ; - la figure 2 représente une vue en coupe représentant une partie du compresseur haute pression de la turbomachine montrée sur la figure 1, et intégrant un secteur de couronne aubagée selon la présente invention ; - la figure 3 représente une vue en perspective du secteur de couronne aubagée montré sur la figure précédente, le secteur se présentant sous la forme d'un mode de réalisation préféré de la présente invention ; - la figure 4 représente une vue axiale d'une partie du secteur de couronne aubagée montré sur la figure précédente ; - la figure 5 représente une vue des profils des cales et des secteurs élémentaires du secteur de couronne aubagée montré sur les figures précédentes, prise selon la ligne V-V de la figure 4 ; et - les figures 6a à 6d représentent des vues schématisant différentes étapes d'un procédé de 9 fabrication du secteur de couronne aubagée montré sur les figures précédentes. En référence tout d'abord à la figure 1, on peut apercevoir un turboréacteur d'aéronef 100 auquel l'invention s'applique. Il comporte, d'amont en aval, un compresseur basse pression 2, un compresseur haute pression 4, une chambre annulaire de combustion 6, une turbine haute pression 8 et une turbine basse pression 10.

La figure 2 représente une partie du compresseur haute pression 4. De façon connue, le compresseur présente, en alternance selon une direction axiale parallèle à l'axe 12 du compresseur, des rangées 14 d'aubes de stator et des rangées 16 d'aubes de rotor. Les aubes de stator 18, réparties circonférentiellement/tangentiellement autour de l'axe 12, s'intègrent dans une partie de stator dénommée couronne aubagée 20, préférentiellement réalisée de manière sectorisée dans la direction circonférentielle 22. Ainsi, par la suite, il sera fait référence à un secteur de couronne aubagée 20, étant entendu que ce secteur 20 s'étend préférentiellement sur une étendue angulaire comprise entre 5 et 60°, mais pouvant aller jusqu'à 360° afin de constituer la totalité de la couronne aubagée. Le secteur 20, formant donc tout ou partie d'un distributeur de turbine ou d'un redresseur de compresseur, comprend un secteur de virole intérieure 24 de délimitation radiale intérieure d'un flux annulaire primaire 26 traversant la turbomachine, ce secteur de virole 24 portant fixement les pieds des 10 aubes de stator 18. Le secteur 20 intègre également, en plus de ces aubes 18, un ensemble formant secteur de virole extérieure 28, de délimitation radiale extérieure du flux annulaire primaire 26, qui porte fixement les têtes des aubes 18. A cet égard, il est noté que le secteur 20 comprend également des éléments additionnels connus équipant le secteur de virole 24, tel qu'un revêtement radialement intérieur abradable 29 formant piste d'étanchéité annulaire, contactée par un dispositif d'étanchéité 31 porté par l'étage de rotor 16 portant les aubes tournantes et agencé en aval du secteur 20 concerné. Le dispositif d'étanchéité tournant 31 est de façon connue du type à labyrinthe ou à léchettes.

Sur la figure 3, on peut apercevoir le secteur de couronne aubagée 20. Dans le mode de réalisation préféré décrit, la totalité du distributeur de turbine ou du redresseur de compresseur est obtenue par la mise en place bout à bout d'une pluralité de ces secteurs 20, constituant donc chacun une portion angulaire ou circonférentielle de cette couronne aubagée. Les secteurs angulaires 20 (un seul visible sur la figure 3) sont de préférence dépourvus de liaisons mécaniques rigides directes les reliant les uns aux autres, leurs extrémités adjacentes étant en effet simplement placées en regard les unes les autres, avec ou sans jeu. Plus spécifiquement en référence aux figures 3 et 4, on peut apercevoir que le secteur de virole intérieure 24 est réalisé d'une seule pièce, et n'est pas segmenté. En revanche, l'ensemble 28 formant 11 secteur de virole extérieure 28 est segmenté en secteurs élémentaires 30 espacés les uns des autres selon la direction tangentielle 22, par des fentes droites radiales ou légèrement oblique 32, créant donc des jeux entre les secteurs 30 directement consécutifs. Chaque fente 32 est réalisée le long d'une ligne droite médiane entre deux aubes 18 directement consécutives, de sorte que chaque secteur élémentaire 30 porte fixement une unique aube de stator 18. L'un des deux secteurs élémentaires 30 situés aux extrémités du secteur 20 porte une butée anti-rotation 33 faisant saillie radialement vers l'extérieur, et destinée à coopérer, de façon connue, avec une autre partie du stator du compresseur.

L'ensemble 28 comporte également, logées entre les secteurs élémentaires 30 directement consécutifs, des cales amortisseuses de vibrations 34. Plus précisément, chaque cale amortisseuse de vibrations 34 est logée entre deux surfaces de friction planes 38 parallèles et en regard l'une de l'autre selon la direction tangentielle 22, et respectivement prévues sur les extrémités tangentielles se faisant face des deux secteurs élémentaires associés à la cale. De manière analogue, chaque cale 34 présente deux surfaces de friction planes complémentaires 40, parallèles entre-elles, et également parallèles et au contact des deux surfaces de friction planes 38 avec lesquelles elles coopèrent, respectivement. Chaque cale 34 est donc enserrée entre deux secteurs élémentaires directement consécutifs 30, en 12 présentant une complémentarité de forme avec celle des surfaces de friction 38. Le contact entre les deux surfaces de friction 38, 40 de chaque couple est obtenu de préférence dès la mise en place de la cale 34 entre ses deux secteurs élémentaires associés 30. Les cales 34 exercent ainsi, avec leurs surfaces de friction planes complémentaires 40, des efforts sensiblement orientés selon la direction tangentielle contre les surfaces de friction 38 des secteurs élémentaires. Ces efforts sont d'ailleurs davantage renforcés en fonctionnement par l'application supplémentaire, sur les secteurs élémentaires, de la composante tangentielle des efforts aérodynamiques s'exerçant sur les aubes de stator.

Comme cela a été schématisé sur la figure 5, l'une des particularités de la présente invention réside dans le fait que le profil des cales 34 est sensiblement identique au profil des secteurs élémentaires, ce même profil correspondant à celui du secteur de virole extérieure. Par profil, on entend ici la forme globale de l'élément vu selon la direction tangentielle 22, même si une vue en section a été représentée en figure 5. Ainsi, chaque cale 34 présente, tout comme les secteurs élémentaires 30, une surface inférieure 46 servant de délimitation radiale extérieure de la veine. La surface globale annulaire de délimitation de la veine, composée de la succession de ces surfaces 46 prévues sur les cales 34 et les secteurs 30, est par conséquent sensiblement continue d'une point de vue 13 aérodynamique, puisqu'il n'existe aucune marche entre les surfaces successives 46. De plus, chaque cale 34 et secteur 30 comprend des crochets pour son maintien sur une autre partie du stator de compresseur, et plus précisément un crochet de maintien 48 faisant saillie vers l'avant, ainsi qu'un crochet de maintien 50 faisant saillie vers l'arrière. Comme cela est montré sur la figure 2, les crochets 48, 50 sont respectivement logés dans des fentes annulaires 52, 54 prévues dans une autre partie du stator du compresseur, afin d'assurer la fixation du secteur 20 sur cette autre partie de stator. Les cales 34, comblant entièrement les fentes 32, permettent d'assurer une fonction d'amortissement des vibrations par frottement contre les surfaces de friction 38, selon le principe physique rappelé ci-dessus relatif aux cales divulguées dans le document FR-A-2 902 843. Elles assurent également une fonction d'étanchéité, ainsi qu'une fonction de passage de la composante tangentielle des efforts aérodynamiques s'exerçant sur les aubes de stator. Concernant ce dernier point, d'une façon plus générale, chaque cale 34 permet la transmission d'efforts tangentiels entre les deux secteurs élémentaires 30 entre lesquels elle est interposée. Le matériau utilisé pour les secteurs élémentaires 30 et le matériau utilisé pour les cales 34 sont sensiblement de même nature, de préférence métalliques, et choisis de manière à ce que les cales s'usent prioritairement par rapport aux secteurs élémentaires 30.

14 En outre, il est indiqué que le rapport entre l'étendue selon la direction tangentielle de chaque cale, et l'étendue selon la direction tangentielle de chaque secteur élémentaire, ces étendues correspondant également aux épaisseurs, est compris entre 0,5 et 1. Les figures 6a à 6c schématisent un procédé de fabrication du secteur de couronne aubagée 20. Tout d'abord, comme le montre la figure 6a, en ensemble monobloc 100 est réalisé par coulée ou par usinage, formant le secteur de virole intérieure 24, le secteur de virole extérieure 28, et les aubes de stator 18. Par usinage simple et peu couteux, il est ensuite procédé à la réalisation des fentes droite radiale 32 sur le 15 secteur de virole extérieure 28, de manière à obtenir les secteurs élémentaires 30, tel que cela a été schématisé sur la figure 6b. A titre d'exemple, ces fentes 32 peuvent être obtenues par simple tronçonnage du secteur 28. Enfin, la figure 6c montre l'étape finale consistant à mettre en place les cales amortisseuses de vibrations 34 dans les fentes 32 formant les surfaces de friction, par simple coulissement des cales dans leurs trous respectifs. Il est noté que pour obtenir une relative facilité d'insertion de chaque cale dans sa fente associée, tout en permettant un maintien de cette cale dans sa fente par le seul pincement entre les deux surfaces de friction 38, un jeu d'ajustement glissant 30 juste est préférentiellement retenu.

20 25 15 Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs.5

Claims

REVENDICATIONS1. Ensemble formant secteur de virole extérieure (28), pour secteur de couronne aubagée (20) destiné à équiper un stator de compresseur de turbomachine d'aéronef, ledit secteur de virole extérieure comprenant d'une part une pluralité de secteurs élémentaires (30) espacés les uns des autres selon une direction tangentielle (22) dudit ensemble, et d'autre part des cales amortisseuses de vibrations (34) chacune interposée entre deux secteurs élémentaires lui étant associés, positionnés de façon directement consécutive selon ladite direction tangentielle, caractérisé en ce que chaque cale amortisseuse de vibrations (34) présente un profil sensiblement identique à celui des secteurs élémentaires (30).
2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite cale est en appui contre deux surfaces de friction planes (38) parallèles et en regard l'une de l'autre selon ladite direction tangentielle (22) et respectivement prévues sur lesdits deux secteurs élémentaires (30) associés à ladite cale, et en ce que ladite cale (34) présente deux surfaces de friction planes complémentaires (40), parallèles entre-elles et coopérant respectivement avec les deux surfaces de friction des secteurs élémentaires.30 17
3. Ensemble selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que ladite cale (34) présente des crochets (48, 50) pour son maintien sur le stator de compresseur ou de turbine.
4. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les secteurs élémentaires (30) sont espacés les uns des autres par des fentes radiales (32) entièrement comblées par lesdites cales amortisseuses de vibrations (34).
5. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites cales amortisseuses de vibrations (34) s'étendent sensiblement selon une direction axiale ou oblique dudit ensemble.
6. Secteur de couronne aubagée (20) destiné à équiper un stator de compresseur de turbomachine d'aéronef, comprenant un ensemble formant secteur de virole extérieure (28) selon l'une quelconque des revendications précédentes, un secteur de virole intérieure (24), ainsi qu'une pluralité d'aubes (18) espacées tangentiellement les unes des autres et interposées entre l'ensemble formant secteur de virole extérieure et le secteur de virole intérieure.
7. Turbomachine d'aéronef comprenant un 30 stator de compresseur équipé d'au moins un secteur de couronne aubagée selon la revendication 6.