FR2953250A1 - Rotor de turbine d'une turbomachine son procede de fabrication et turbomachine equipee d'un tel rotor - Google Patents

Abstract

- Le rotor comporte : ▪ au moins un tambour (30) à disques de turbine amont et aval (6A, 6B) associés par leurs viroles respectives (7, 8) et portant, par des liaisons (9), les aubes radiales (10) ; ▪ un flasque cylindrique (20) entourant lesdites viroles et formant étanchéité avec les aubes (17) d'un disque redresseur de stator situé entre lesdits disques (6A, 6B) ; et ▪ un agencement d'air de ventilation pour lesdites liaisons (9) défini par l'amenée d'air dans l'espace annulaire (21) entre ledit flasque et ledit tambour en direction desdites liaisons. - Avantageusement, ledit flasque cylindrique (20) et lesdites viroles (7, 8) des disques amont (6A) et aval (6B) dudit tambour sont assemblés entre eux par soudage de manière à former une seule et même pièce.

Description

Rotor de turbine d'une turbomachine son procédé de fabrication et turbomachine équipée d'un tel rotor.

La présente invention concerne un rotor de turbine basse pression d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur, destiné à équiper les aéronefs, et plus particulièrement la ventilation des disques aubagés du rotor de turbine. On sait que, dans les turbomachines, il est courant d'utiliser de l'air prélevé notamment sur le compresseur à haute pression pour refroidir des pièces situées dans des zones thermiquement chaudes, en aval de la chambre de combustion de la turbomachine. Tel est par exemple le cas, quoique non exclusivement, du rotor de la turbine pression qui doit être ventilé par de l'air « frais » venant refroidir les liaisons ou attaches des aubes sur les disques du rotor par une circulation d'air appropriée entre le pied des aubes, sa liaison et la jante du disque. Dans un souci de clarté et de compréhension, on a représenté schématiquement sur la figure 1, une partie de turbine 1 d'un moteur à turbine à gaz double corps 2 et, sur les figures 2-2A et 3, deux modes de réalisation antérieurs de ventilation du rotor. La partie de turbine 1 comprend, de façon connue et de l'amont vers l'aval selon le sens de circulation de la veine gazeuse V, coaxialement à l'axe longitudinal non visible du moteur, un étage 3 de turbine haute pression, un distributeur 4 et la turbine basse pression 1. Le rotor 5 de cette dernière se compose, dans cet exemple, de quatre disques de turbine 6 boulonnés entre eux par leurs viroles cylindriques respectives 7, 8 et portant en périphérie, par des liaisons à glissière 9 du type tenon-rainure, les pieds des aubes radiales 10. Comme l'enseignent notamment les demandes de brevet français FR-A- 2 825 748 et FR-A- 2 918 414 (au nom de la Demanderesse), des rainures ou alvéoles 11 sont usinés sur la jante 12 de chaque disque 6 dans lesquels sont glissés coaxialement les pieds ou dents 14 de forme complémentaire des aubes assurant la liaison en rotation de celles-ci avec les disques. Le blocage axial, empêchant la translation entre les aubes 10 et les disques 6, est obtenu par un jonc fendu ou des segments de maintien 15 retenus dans des crochets 16 issus de la face transversale correspondante des aubes 10. Entre celles-ci sont agencées les aubes 17 des disques redresseurs 18 du stator de la turbine 2.

Le rotor 5 comprend également des flasques cylindriques à labyrinthe 20 qui entourent les viroles 7, 8 des disques 6 en formant, d'une part, étanchéité avec les aubes 17 des disques redresseurs et, d'autre part, butée axiale entre deux disques consécutifs 6 au niveau des liaisons 9 aubes-disques. Pour assurer le refroidissement de ces zones de liaisons des disques, un agencement d'air de ventilation est prévu, en étant notamment défini par l'espace annulaire 21 délimité entre les flasques 20 et les viroles 7, 8 des disques 6 pour amener de l'air frais depuis les ouvertures centrales 22 des disques jusqu'aux liaisons. Par exemple, dans un premier mode de réalisation illustré en figure 2, l'air de ventilation (flèche F) passe dans des lunules radiales 23 ménagées dans les brides de fixation 24 en regard des viroles respectives 7, 8 de deux disques adjacents 6 et entre dans l'espace annulaire 21 pour se diriger vers les liaisons périphériques aubes-disques 9 et, ainsi, les refroidir. Dans ce mode, on voit que le flasque à labyrinthe concerné 20 est assemblé et maintenu entre les brides de fixation 24 boulonnées en 28, des viroles ; l'étanchéité avec l'aube 17 du disque redresseur 18 est assurée par les léchettes 25 du flasque 20 en vis à vis d'un anneau de matière abradable du disque redresseur 18. A des fins de simplification rendue possible par les avancées technologiques notamment dans le domaine des matériaux, on voit sur le second mode de réalisation de la figure 3, que deux disques de turbine consécutifs 6A, 6B (voir FR-A- 2 825 748) sont réunis directement par leurs viroles respectives 7, 8 qui sont soudées ensemble, de sorte à former un tambour monobloc 30 constitué des deux disques. Ainsi, le rotor de turbine comporte-t-il deux tambours associés. Par cette construction de tambour à deux disques, on supprime sensiblement de moitié le nombre des brides de fixation 24 à boulons 28 comparativement à la réalisation antérieure à disques individuels. Le flasque à labyrinthe 20 reliant les disques 6A, 6B d'un même tambour 30 est de conception plus simple et s'apparente à une entretoise. L'agencement de ventilation, dans lequel s'engage l'air frais (flèche F), provient des lunules 23 des brides du disque amont 6A du tambour avec son flasque, et l'air passe entre les fonds des rainures 11 du premier disque amont 6A et les pieds 14 des aubes 10 pour déboucher dans l'espace annulaire 21 entre les viroles soudées 7, 8 du tambour 30 et l'entretoise 20, puis refroidir les liaisons 9 des aubes 10 avec le second disque aval 6B du tambour. Si cette conception des disques de rotor en tambours apporte un gain de masse appréciable tout en facilitant la maintenance, en revanche, la fonction de ventilation n'est plus optimale au fur et à mesure que l'air de ventilation circule du premier disque 6A où il entre dans le rotor jusqu'au second disque 6B de chaque tambour du rotor 5. En effet, il se réchauffe au contact des liaisons du premier disque et ne refroidit plus aussi efficacement le second disque aval du tambour. Par ailleurs, dans les conceptions récentes du tambour, on a pensé à mettre les léchettes directement sur les viroles assemblées des disques, pour coopérer avec les aubes fixes, sans recourir à des flasques à labyrinthe. Mais alors se pose le problème de comment ventiler simplement les liaisons du disque aval puisque l'espace de communication entre les deux disques est obturé par les léchettes. Aussi, la présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne un rotor de turbine basse pression dont la conception permet de s'affranchir des problèmes de ventilation tout en simplifiant encore la réalisation de celui-ci. A cet effet, le rotor de turbine basse pression d'une turbomachine, comportant : - au moins un tambour avec deux disques de turbine consécutifs amont et aval associés entre eux par leurs viroles respectives et portant en périphérie, par des liaisons à glissière, les pieds d'aubes radiales s'engageant dans des alvéoles des disques ; - au moins un flasque cylindrique entourant les viroles et formant étanchéité avec les aubes d'un disque redresseur de stator situé entre les disques consécutifs du tambour ; et - un agencement d'air de ventilation pour lesdites liaisons au moins du disque aval, défini par l'amenée d'air dans l'espace annulaire délimité entre le flasque cylindrique et le tambour en direction desdites liaisons, est remarquable, selon l'invention, en ce que le flasque cylindrique et les viroles des disques amont et aval du tambour sont assemblés entre eux par soudage de manière à former une seule et même pièce, et en ce que l'agencement d'air de ventilation présente, de plus, une pluralité de trous ménagés de façon répartie dans la virole du disque aval, pour amener l'air de ventilation provenant de l'ouverture centrale des disques du tambour dans l'espace annulaire jusqu'aux liaisons des pieds des aubes avec les alvéoles du disque aval. Ainsi, grâce à l'invention, le tambour constituant la pièce obtenue intègre non seulement les deux disques aubagés en raison des avantages précités mais, en plus, le flasque d'étanchéité ainsi que l'agencement de ventilation, ce qui permet d'inclure la fonction de ventilation dans la configuration du rotor à tambours. De la sorte, la ventilation des liaisons entre les pieds des aubes et les fonds des alvéoles du disque aval s'effectue directement à partir du flux d'air extérieur pour refroidir les liaisons, sans traverser celles du disque amont, comme dans la réalisation précédente de la figure 3. A ce propos, la ventilation des liaisons du disque amont du tambour est obtenue de la manière décrite et illustrée ci-dessus, par des lunules prévues dans les brides de fixation à l'avant du disque amont du tambour coopérant avec celles du distributeur, dans le cas du premier tambour, ou avec celles du tambour précédent, dans le cas d'un tambour successif du rotor.

L'ensemble des disques du rotor est ainsi correctement ventilé, améliorant de ce fait la longévité (durée de vie) du tambour. On remarque par ailleurs la simplicité de réalisation du tambour minimisant le nombre de composants à assembler et réduisant la masse de celui-ci.

Avantageusement, le soudage entre le flasque cylindrique et les viroles des disques amont et aval est du type par faisceau d'électrons. De préférence, avant le soudage du flasque et des viroles des disques amont et aval, le flasque cylindrique est rapporté fixement sur la virole du disque aval. Pour cela, une extrémité du flasque cylindrique, opposée à celle venant au contact des liaisons entre le disque aval et les aubes, est frettée sur l'extrémité de la virole issue du disque aval. L'immobilisation entre le flasque et sa virole est alors totale, ce qui est préféré en vue du soudage. En particulier, les faces transversales des extrémités frettées du flasque et de la virole du disque aval sont sensiblement coplanaires, et la face transversale de l'extrémité libre en regard de la virole du disque amont, qui est amenée au contact des faces transversales des extrémités frettées avant soudage, a une épaisseur de paroi sensiblement égale à celle des extrémités frettées superposées. Ainsi, le soudage s'effectue sur des surfaces latérales intérieure et extérieure sensiblement continues.

Par ailleurs, après soudage, les surfaces latérales extérieure et intérieure de la soudure réalisée entre le flasque et les viroles sont de préférence traitées par usinage. L'invention concerne également une turbomachine telle que, par exemple, un moteur à turbine à gaz pour aéronef ou autre. Avantageusement, le moteur comporte un rotor de turbine basse pression de la manière définie ci-dessus. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables.

La figure 1 montre en de mi-coupe axiale schématique une partie d'un moteur à turbine à gaz de l'art antérieur.

Les figures 2 et 3 sont des vues partielles en coupe axiale de deux modes de réalisation antérieurs d'un rotor de turbine basse pression à agencement de ventilation. La figure 2A est une vue schématique de la liaison à glissière entre une aube et son disque, selon la flèche A de la figure 2. La figure 4 est une vue partielle en coupe axiale du rotor de turbomachine basse pression de l'invention. On a représenté partiellement sur la figure 4 l'un des deux tambours 30 formant le rotor 5 de la turbine basse pression 1 à quatre étages illustrée sur la figure 1, et composés chacun de deux disques aubagés 6A, 6B. Le tambour 30 représenté correspond, par exemple, au tambour amont du rotor tourné vers le distributeur 4. Bien entendu, le nombre de tambours associés coaxialement en série pourrait être différent, supérieur à deux, voire égal à un. Les deux disques respectivement premier-amont 6A ou second-aval 6B du tambour 30 portent les aubes radiales 10 de manière sensiblement identique que précédemment. Ainsi, les liaisons 9 sont du type à glissière avec assemblage mâle-femelle, dans notre cas des rainures ou alvéoles 11 qui sont ménagés régulièrement en périphérie de la jante 12 de chaque disque et dans lesquels sont glissés des tenons ou pieds 14 des aubes 10, immobilisant en rotation les aubes par rapport à leur disque. Et des segments ou joncs 15 liés axialement aux aubes par des crochets 16 issus de celles-ci immobilise notamment en translation les aubes par rapport aux disques. De manière analogue à la représentation du tambour sur la figure 3, la virole cylindrique arrière 7 issue de la face transversale arrière 32 du premier disque amont 6A, et la virole cylindrique avant 8, issue de la face transversale avant 33 du second disque 6B, sont disposées dans le prolongement l'une de l'autre. Autour de la virole avant 8 du second disque 6B se trouve le flasque cylindrique à labyrinthe 20 qui porte d'un côté, notamment en périphérie extérieure, les léchettes d'étanchéité 25 coopérant avec l'anneau de matière abradable 26 fixé en périphérie d'un étage d'aubes fixes 17 d'un disque redresseur 18. On voit, également sur la figure 4, l'espace ou passage annulaire 21 ménagé entre les parois latérales évasées respectives 34, 35 de la virole avant 8 du second disque 6B et du flasque d'étanchéité 20, et menant aux fonds des alvéoles 11. Du côté opposé à celui présentant les léchettes, le flasque 20 se termine par une collerette transversale 37 servant de butée axiale aux liaisons 9 du second disque avec les aubes. Conformément à l'invention, les viroles cylindriques en regard 7, 8, dans le prolongement l'une de l'autre, et le flasque cylindrique 20 sont assemblés entre eux par soudage, de manière à ne former qu'une seule et même pièce, en l'occurrence le tambour 30.

Par exemple, dans un mode particulier de réalisation, autour de l'extrémité droite 38 de la paroi latérale 34 de la virole 8 est disposée l'extrémité correspondante 40 de la paroi latérale 35 du flasque cylindrique, lesquelles extrémités 38 et 40 sont assemblées par frettage (consistant en un ajustement serré des pièces par dilatation thermique de celles-ci), garantissant une immobilisation totale entre les extrémités de la virole et du flasque avant le soudage proprement dit. Puis, les faces transversales 41, 42 des extrémités libres frettées des parois 34 et 35, qui se trouvent sensiblement dans le même plan, et la face transversale libre 43 de la paroi latérale 36 de la virole arrière 7 du disque amont 6A sont mises bout à bout.

On remarque que l'épaisseur de la paroi latérale 36 de la virole arrière 7 est élargie pour être sensiblement égale à celle des extrémités superposées 38, 40 des parois latérales de la virole avant 8 et du flasque 20. Une fois disposées de cette façon, les trois pièces (viroles 7 et 8 et flasque 20) sont assemblées les unes aux autres par un soudage par faisceau d'électrons, symbolisé par un rectangle S en trait mixte sur la figure 4. Lorsque l'opération de soudage est réalisée en formant le tambour monobloc 30 à deux disques 6A, 6B et flasque d'étanchéité intégré 20, les surfaces latérales respectivement intérieure 44 et extérieure 45 des parois, au niveau de la soudure S, subissent une opération d'usinage ou analogue assurant la finition.

On remarque également que le flasque cylindrique d'étanchéité 20 ne s'étend pas sur toute la distance séparant les liaisons 9 des deux disques, et se limite à envelopper uniquement la virole avant du disque aval. Cet agencement permet de réduire la masse du rotor.

Pour amener le flux d'air frais de ventilation (flèche F, figure 4) dans l'espace annulaire 21 ainsi défini de l'agencement de ventilation, ce dernier comprend plusieurs trous de passage 46 régulièrement répartis angulairement dans la paroi latérale évasée 34 de la virole avant 8. Ces trous 46 mettent en communication l'ouverture interne 22 du tambour 30 recevant l'air de ventilation du compresseur avec l'espace annulaire 21 au bout duquel se trouvent les liaisons 9 entre les aubes et le disque aval à ventiler, c'est-à-dire les fonds des alvéoles 11, la jante 12 du disque 6B, et les pieds 14 des aubes radiales 10. La réalisation des trous de passage 46 dans la paroi 34 de la virole peut être effectuée préalablement au frettage du flasque 20 sur la virole avant 8 ou après le soudage de la virole arrière 7 avec l'ensemble fretté virole avant 8-flasque 20. On comprend donc que le second disque aval 6B du tambour 30 (ou de chaque tambour) est parfaitement refroidi, et cela de manière directe et autonome à partir de la source d'air « frais » de ventilation. En ce qui concerne la ventilation du premier disque amont 6A du tambour, elle ne pose pas de problème puisqu'elle peut être obtenue de façon usuelle par des lunules radiales prévues entre les brides de fixation 24 d'une virole amont dudit disque et le flasque d'étanchéité concerné avec le distributeur (figure 3) et amenant l'air de ventilation au niveau des liaisons dudit disque aubagé. Pour information, le second disque aval 6B se prolonge par une virole arrière (comme pour le premier disque) mais qui se termine par des brides 24 servant à la fixation, par des boulons 28, des brides 24 (trait mixte) issues d'une virole avant d'un premier disque amont du tambour suivant.

On remarque par ailleurs, sur la figure 4, que les disques 6A, 6B du tambour 30 représenté, du côté interne, sont dépourvus des parties radiales élargies dénommées poireaux 48 comme le montrent les figures 1 et 2. La raison à cela est que les aubes des disques sont, de par les progrès technologiques des matériaux, creuses et donc moins massiques de sorte que les efforts exercés par la force centrifuge sur les disques sont réduits et qu'il n'est plus nécessaire de prévoir ces poireaux. La conception du rotor de la turbine par des tambours monoblocs à disques et flasque soudés et agencement d'air de ventilation intégré atteint les ~o objectifs fixés en permettant notamment de refroidir efficacement les liaisons entre les pieds des aubes et les alvéoles du disque aval des tambours.

Claims (7)

1. REVENDICATIONS1. Rotor de turbine, notamment basse pression d'une turbomachine, comportant : - au moins un tambour (30) avec des disques de turbine consécutifs amont et aval (6A, 6B) associés entre eux par leurs viroles respectives (7, 8) et portant en périphérie, par des liaisons à glissière (9), les pieds d'aubes radiales (10) s'engageant dans des alvéoles desdits disques ; - au moins un flasque cylindrique (20) entourant lesdites viroles et formant étanchéité avec les aubes (17) d'un disque de stator situé entre les disques consécutifs (6A, 6B) du tambour ; et - un agencement d'air de ventilation pour lesdites liaisons (9) au moins du disque aval, défini par l'amenée d'air dans l'espace annulaire (21) délimité entre le flasque cylindrique et le tambour en direction desdites liaisons, caractérisé en ce que le flasque cylindrique (20) et les viroles (7, 8) des disques amont (6A) et aval (6B) du tambour sont assemblés entre eux par soudage de manière à former une seule et même pièce, et en ce que ledit agencement d'air de ventilation présente, de plus, une pluralité de trous (46) ménagés de façon répartie dans la virole du disque aval (6B), pour amener l'air de ventilation provenant de l'ouverture centrale des disques du tambour dans ledit espace annulaire (21) jusqu'aux liaisons (9) des pieds des aubes avec les alvéoles du disque aval.
2. 2. Procédé de fabrication d'un rotor selon la revendication 1, dont ledit soudage entre ledit flasque (20) et lesdites viroles (7, 8) des disques amont et aval est réalisé par faisceau d'électrons.
3. 3. Procédé de fabrication d'un rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce que, avant le soudage du flasque et des viroles des disques amont et aval, le flasque cylindrique (20) est rapporté fixement sur la virole (8) du disque aval.
4. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une extrémité (40) du flasque cylindrique (20), opposée à celle venant au contactdes liaisons entre le disque aval et les aubes, est frettée sur l'extrémité libre (38) de la virole (8) issue du disque aval (6B).
5. 5. Procédé selon revendication 4, caractérisé en ce que les faces transversales (41, 42) des extrémités frettées du flasque (20) et de la virole (8) du disque aval sont sensiblement coplanaires, et en ce que la face transversale (43) de l'extrémité libre en regard de la virole (7) du disque amont, qui est amenée au contact des faces transversales des extrémités frettées avant soudage, a une épaisseur de paroi sensiblement égale à celle desdites extrémités frettées superposées.
6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que, après soudage, les surfaces latérales extérieure (45) et intérieure (44) de la soudure (S) réalisée entre le flasque et les viroles sont traitées par usinage.
7. 7. Turbomachine notamment du type moteur à turbine à gaz 15 caractérisée en ce qu'elle comporte un rotor (5) de turbine basse pression (1) selon la revendication 1.