FR2960021A1

FR2960021A1 - Rotor wheel for use in low-pressure turbine stage of jet engine, has annular vibration damping rod mounted around shrouds of ceramic matrix composite vanes and maintained on shrouds of vanes by upstream and downstream hooks

Info

Publication number: FR2960021A1
Application number: FR1053740A
Authority: FR
Inventors: Maurice Guy Judet; Jean Luc Soupizon; Clement Roussille
Original assignee: SNECMA Propulsion Solide SA; SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS; Safran Ceramics SA
Priority date: 2010-05-12
Filing date: 2010-05-12
Publication date: 2011-11-18
Anticipated expiration: 2030-05-12
Also published as: FR2960021B1

Abstract

The wheel (10) has a disk (12) whose periphery is equipped with slots (26), and ceramic matrix composite vanes (14) e.g. turbine vanes, provided with blades (16), roots (18) and shrouds (24) that are situated at the proximity of corresponding free ends of the blades. The roots are mounted in the corresponding slots. An annular vibration damping rod (100) is mounted around the shrouds of the vanes and maintained on the shrouds of the vanes by upstream and downstream hooks. The annular rod comprises axial portions rotating with tangential portions.

Description

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des aubes en matériau composite d'une roue mobile de turbomachine. Elle concerne plus particulièrement l'amortissement des vibrations apparaissant en fonctionnement entre les talons de deux aubes adjacentes d'une roue mobile. Une roue mobile de turbomachine, comme par exemple une roue mobile d'un étage de turbine basse-pression d'un turboréacteur, comprend un disque sur lequel sont montées une pluralité d'aubes. Au niveau de leur extrémité radiale libre, les aubes présentent chacune un élément transversal, appelé talon, qui a notamment pour fonction de délimiter à l'extérieur la veine d'écoulement du flux gazeux traversant la turbine. Le talon d'une telle aube comporte un bord amont et un bord aval orientés perpendiculairement au sens d'écoulement du flux gazeux. Ces bords sont reliés entre eux par l'intermédiaire de deux bords latéraux avec lesquels le talon de l'aube vient en contact avec les talons des deux aubes de la roue mobile qui lui sont directement adjacentes. Généralement, dans le cas d'aubes métalliques, ces bords latéraux ont un profil dit en Z, c'est-à-dire qu'ils comportent chacun deux portions axiales reliées entre elles par une portion sensiblement transversale. En effet, afin d'amortir les vibrations auxquelles elles sont soumises lors du fonctionnement de la turbine, il est connu de monter les aubes sur le disque avec une contrainte de torsion autour de leur axe principal. Au niveau du talon d'une aube particulière, cette contrainte de torsion se traduit par une mise en contact des portions transversales du talon de l'aube avec les portions transversales des talons des aubes voisines. Les efforts de contact et de frottement ainsi générés au niveau des talons des aubes permettent de dissiper l'énergie vibratoire résultant du fonctionnement de la turbine. Un tel amortissement des vibrations n'est cependant pas applicable aux roues mobiles dont les aubes sont en matériau composite. En particulier, dans le cas d'une aube en CMC (composite à matrice céramique), les contraintes générées par une mise en torsion de l'aube sont trop élevées au regard des capacités du matériau composite. Par ailleurs, le recours à des aubes en matériau composite a également pour inconvénient d'engendrer de fortes marches ou d'importants débattements entre les talons d'aubes adjacentes en cas de basculement des aubes entre elles. BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to the general field of composite material blades of a turbomachine wheel. It relates more particularly to the damping of the vibrations appearing in operation between the heels of two adjacent blades of a moving wheel. A turbomachine mobile wheel, such as for example a mobile wheel of a low-pressure turbine stage of a turbojet, comprises a disk on which a plurality of vanes are mounted. At their free radial end, the blades each have a transverse element, called heel, whose particular function is to delimit externally the flow vein of the gas stream passing through the turbine. The heel of such a blade has an upstream edge and a downstream edge oriented perpendicularly to the direction of flow of the gas stream. These edges are interconnected by means of two lateral edges with which the blade of the heel comes into contact with the heels of the two vanes of the mobile wheel which are directly adjacent thereto. Generally, in the case of metal vanes, these lateral edges have a Z-shaped profile, that is to say that they each comprise two axial portions interconnected by a substantially transverse portion. Indeed, in order to damp the vibrations to which they are subjected during operation of the turbine, it is known to mount the blades on the disk with a torsional stress around their main axis. At the level of the heel of a particular blade, this torsion stress results in contacting the transverse portions of the blade root with the transverse portions of the heels of the neighboring blades. The contact and friction forces thus generated at the blade heels make it possible to dissipate the vibratory energy resulting from the operation of the turbine. Such vibration damping is however not applicable to the mobile wheels whose vanes are composite material. In particular, in the case of a blade CMC (ceramic matrix composite), the stresses generated by a twisting of the blade are too high compared to the capabilities of the composite material. Furthermore, the use of blades of composite material also has the disadvantage of generating steep steps or large deflections between the adjacent blades of blades when tilting the blades together.

Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant d'amortir efficacement les vibrations entre talons d'aubes adjacentes en matériau composite sans générer de contraintes excessives dans les aubes. OBJECT AND SUMMARY OF THE INVENTION The main object of the present invention is therefore to overcome such disadvantages by proposing to effectively damp the vibrations between adjacent blades of composite blades without generating excessive stresses in the blades.

Ce but est atteint grâce à une roue mobile de turbomachine, comprenant un disque muni d'alvéoles à sa périphérie, et une pluralité d'aubes en matériau composite, chaque aube ayant une pale, un pied monté dans l'une des alvéoles du disque et un talon situé au voisinage de l'extrémité libre de la pale, et dans laquelle, conformément à l'invention, chaque talon présente au niveau de sa face externe au moins un crochet ouvert en direction axiale, la roue comprenant en outre un jonc annulaire d'amortissement des vibrations monté autour du talon des aubes et maintenu sur ces derniers par l'intermédiaire des crochets. Le jonc d'amortissement des vibrations est en contact avec chaque talon d'aube par l'intermédiaire des crochets. En fonctionnement, le jonc vient donc frotter contre ces crochets des talons des aubes. Ce frottement permet ainsi de dissiper l'énergie vibratoire liée à la rotation de la roue mobile. Aucune contrainte n'est appliquée sur les aubes pour obtenir une telle dissipation d'énergie. La durée de vie des aubes s'en trouve augmentée. En cas de basculement des aubes entre elles, un tel jonc permet également de pouvoir encaisser d'importants décalages radiaux entre les talons des aubes. Par ailleurs, la présence de ce jonc ne dégrade pas les performances de la roue mobile (la veine d'écoulement du flux gazeux traversant la roue n'est pas modifiée). Le montage et le démontage de l'amortisseur sont aussi aisés et l'ajout de masse réduit. Le jonc d'amortissement des vibrations peut comprendre des portions sensiblement axiales alternant avec des portions sensiblement tangentielles. Une telle disposition en zigzag permet au jonc d'encaisser les écarts tangentiels pouvant se créer entre les talons des aubes (le jonc a alors tendance à s'agrandir ou à se resserrer). This object is achieved by means of a turbomachine wheel, comprising a disk provided with cells at its periphery, and a plurality of blades made of composite material, each blade having a blade, a foot mounted in one of the cavities of the disk. and a bead located in the vicinity of the free end of the blade, and wherein, in accordance with the invention, each bead has at its outer face at least one axially open hook, the wheel further comprising a rod annular vibration damping mounted around the heel of the blades and maintained on these by means of the hooks. The vibration damping rod is in contact with each blade heel via the hooks. In operation, the rod thus rubs against these hooks of the blades of the blades. This friction thus makes it possible to dissipate the vibratory energy related to the rotation of the moving wheel. No constraint is applied to the vanes to obtain such energy dissipation. The life of the blades is increased. In case of tilting of the blades between them, such a ring also allows to cash in large radial offsets between the blades of the blades. Moreover, the presence of this ring does not degrade the performance of the moving wheel (the flow path of the gas flow through the wheel is not changed). The assembly and disassembly of the shock absorber are also easy and the addition of reduced mass. The vibration damping rod may comprise substantially axial portions alternating with substantially tangential portions. Such a zigzag arrangement allows the ring to cash tangential differences that can be created between the blade heels (the ring then tends to enlarge or tighten).

Chaque talon d'aube peut présenter au moins un crochet amont ouvert vers l'amont et au moins un crochet aval ouvert vers l'aval. Dans ce cas, le jonc d'amortissement des vibrations passe de préférence alternativement dans le crochet amont et le crochet aval de chaque talon d'aube. Les aubes peuvent être réalisées en matériau composite à matrice céramique et le jonc d'amortissement des vibrations à base de cobalt. Le jonc d'amortissement des vibrations peut présenter une section sensiblement circulaire. Il peut être maintenu dans les crochets des talons des aubes par clipsage. L'invention a également pour objet une turbomachine comprenant au moins une roue mobile telle que définie précédemment. Each blade heel may have at least one upstream open hook upstream and at least one downstream hook open downstream. In this case, the vibration damping ring preferably passes alternately in the upstream hook and the downstream hook of each blade heel. The vanes may be made of ceramic matrix composite material and the cobalt-based vibration damping rod. The vibration damping rod may have a substantially circular section. It can be held in the hooks of the blades of the blades by clipping. The invention also relates to a turbomachine comprising at least one moving wheel as defined above.

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 et en perspective d'une roue mobile de turbomachine selon l'invention ; - la figure 2 est une agrandie d'un détail de la figure 1 ; et - la figure 3 est une vue de dessus de la figure 2. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Other features and advantages of the present invention will emerge from the description given below, with reference to the accompanying drawings which illustrate an embodiment having no limiting character. In the figures - Figure 1 is a partial view in perspective of a turbomachine wheel according to the invention; - Figure 2 is an enlarged detail of Figure 1; and - Figure 3 is a top view of Figure 2.

Description détaillée d'un mode de réalisation L'invention est applicable à différents types d'aubes de turbomachine, notamment des aubes de compresseur et de turbine de différents corps de turbines à gaz, par exemple à une aube de roue mobile d'un étage de turbine basse-pression, telle que celle illustrée par la figure 1. De façon bien connue en soi, la roue mobile 10 d'un étage de turbine basse-pression comprend un rotor de turbine 12 (partiellement représenté) d'axe de rotation X-X et sur lequel sont montées plusieurs aubes 14 sensiblement identiques les unes aux autres (en terme de composition, masse, dimensions et forme géométrique). DETAILED DESCRIPTION OF THE EMBODIMENT The invention is applicable to various types of turbomachine blades, in particular compressor and turbine blades of different gas turbine bodies, for example to a one-stage moving wheel blade. low-pressure turbine, such as that illustrated in Figure 1. In a manner well known per se, the movable wheel 10 of a low-pressure turbine stage comprises a turbine rotor 12 (partially shown) axis of rotation XX and on which are mounted several blades 14 substantially identical to each other (in terms of composition, mass, dimensions and geometric shape).

L'aube 14 de la figure 1 comprend une pale 16, un pied 18, par exemple à section en forme de bulbe, prolongé par une échasse 20, une plateforme intérieure 22 située entre l'échasse et la pale, et un talon 24 situé au voisinage de l'extrémité libre de la pale. The blade 14 of FIG. 1 comprises a blade 16, a foot 18, for example with a bulbous section, extended by a stilt 20, an inner platform 22 located between the stilt and the blade, and a heel 24 located in the vicinity of the free end of the blade.

La pale 16 s'étend en direction longitudinale entre la plateforme 22 et le talon 24 et présente en section transversale un profil incurvé entre son bord d'attaque 16a et son bord de fuite 16b. L'aube 14 est montée sur le rotor de turbine 12 par engagement de son pied 18 dans une alvéole 26 de forme correspondante aménagée à la périphérie du rotor. A son extrémité radiale externe, la pale 16 se raccorde au talon 24 sur une face intérieure 28 du talon qui délimite, à l'extérieur, la veine d'écoulement du flux gazeux traversant la turbine. Dans ses parties d'extrémité amont et aval (dans le sens f d'écoulement du flux gazeux), le talon se termine par des becquets de recouvrement 30. Du côté externe, le talon porte des léchettes 32 à profil en forme de dents dont les extrémités peuvent pénétrer dans une couche de matériau abradable d'un anneau de turbine (non représenté) pour réduire le jeu entre le sommet d'aube et l'anneau de turbine. The blade 16 extends longitudinally between the platform 22 and the heel 24 and has in cross section a curved profile between its leading edge 16a and its trailing edge 16b. The blade 14 is mounted on the turbine rotor 12 by engagement of its foot 18 in a cell 26 of corresponding shape arranged at the periphery of the rotor. At its outer radial end, the blade 16 is connected to the heel 24 on an inner face 28 of the heel which defines, on the outside, the flow vein of the gas stream passing through the turbine. In its upstream and downstream end portions (in the flow direction of the gaseous flow), the heel ends with covering spoilers 30. On the external side, the heel carries wipers 32 having a tooth-shaped profile of which the ends can penetrate a layer of abradable material of a turbine ring (not shown) to reduce the clearance between the blade tip and the turbine ring.

Le talon 24 de l'aube est de forme sensiblement parallélépipédique avec un bord amont 24a et un bord aval 24b orientés perpendiculairement au sens d'écoulement du flux gazeux et reliés par des deux bords latéraux 24c avec lesquels le talon vient en contact avec les talons des deux aubes de la roue mobile qui lui sont directement adjacentes. L'aube illustrée sur la figure 1 est réalisée en matériau composite, par exemple en CMC, à partir d'un procédé de fabrication tel que celui décrit par exemple dans la demande de brevet français n° 09 58931 déposée le 14 décembre 2009 conjointement par Snecma et Snecma Propulsion Solide et dont le contenu est incorporé ici par référence. Le procédé décrit dans cette demande de brevet présente la particularité que l'ébauche fibreuse réalisée par tissage tridimensionnel est mise en forme pour obtenir une préforme fibreuse en une seule pièce ayant une première partie formant préforme de pale 16 et pied 18 d'aube, une deuxième partie formant préforme de plateforme 22 ou talon 24, et une troisième partie formant préforme de renfort de plateforme ou préforme de becquets de recouvrement 30 de talon. Ainsi, après densification de la préforme, on obtient une aube en matériau composite ayant un renfort fibreux constitué par la préforme et densifié par la matrice, et formant une seule pièce avec plateforme et/ou talon intégrés. Bien entendu, d'autres procédés de fabrication d'une aube en matériau composite peuvent être utilisés pour la réalisation des aubes. En fonctionnement, les aubes 14 de la roue mobile 10 sont soumises à des vibrations qu'il est nécessaire d'amortir. A cet effet, il est prévu de monter un jonc annulaire d'amortissement des vibrations 100 autour du talon des aubes et maintenu sur ces derniers. Le maintien du jonc d'amortissement des vibrations 100 est assuré par l'intermédiaire de crochets 34 formés à la surface externe des talons 24 des aubes, De façon plus précise, chaque talon d'aube présente, au niveau de sa surface externe et entre ses deux léchettes 32, une paire de crochets amont 34p qui sont ouverts en direction axiale vers l'amont, et une paire de crochets aval 3412 qui sont ouverts en direction axiale vers l'aval. De tels crochets 34 peuvent être formés au cours du procédé de fabrication de l'ébauche fibreuse de l'aube. En effet, la préforme fibreuse peut présenter une quatrième partie distincte des trois autres et formant préforme de crochets amont et aval. Les portions de cette quatrième partie qui ne servent pas à la formation des crochets amont et aval sont découpées préalablement à la phase de densification. The heel 24 of the blade is of substantially parallelepiped shape with an upstream edge 24a and a downstream edge 24b oriented perpendicular to the direction of flow of the gas stream and connected by two lateral edges 24c with which the heel comes into contact with the heels two vanes of the moving wheel which are directly adjacent thereto. The blade illustrated in Figure 1 is made of composite material, for example CMC, from a manufacturing method such as that described for example in the French patent application No. 09 58931 filed December 14, 2009 jointly by Snecma and Snecma Solid Propulsion and whose contents are incorporated herein by reference. The method described in this patent application has the particularity that the three-dimensional woven fiber blank is shaped to obtain a one-piece fibrous preform having a first blade preform portion 16 and blade root 18, a second platform preform portion 22 or heel 24, and a third platform preform preform portion or spoiler spoiler preform 30. Thus, after densification of the preform, there is obtained a blade of composite material having a fiber reinforcement consisting of the preform and densified by the matrix, and forming a single piece with integrated platform and / or heel. Of course, other methods of manufacturing a blade composite material can be used for the realization of the blades. In operation, the vanes 14 of the mobile wheel 10 are subjected to vibrations that it is necessary to dampen. For this purpose, it is planned to mount an annular vibration damping ring 100 around the blade heel and held thereon. The vibration damping rod 100 is maintained by means of hooks 34 formed on the outer surface of the blades 24, more precisely, each blade heel has, at its outer surface and between its two wipers 32, a pair of upstream hooks 34p which are axially open upstream, and a pair of downstream hooks 3412 which are axially open downstream. Such hooks 34 may be formed during the manufacturing process of the fibrous blank of the blade. Indeed, the fibrous preform may have a fourth portion distinct from the other three and forming preform hooks upstream and downstream. Portions of this fourth part which are not used for the formation of upstream and downstream hooks are cut before the densification phase.

Le jonc d'amortissement des vibrations 100 est un anneau 360° qui est fermé. Il présente une section droite sensiblement circulaire. Il peut être creux ou plein, torsadé ou tressé. Il est de préférence formé à base de cobalt. Le jonc est fixé sur le talon des aubes en venant se clipser dans les crochets 34. Plus précisément, comme représenté sur la figure 3, le jonc vient se clipser alternativement dans l'un des crochets amont 34a et l'un des crochets aval 3412 de chaque talon d'aube. Ainsi, le jonc présente des portions 104 qui s'étendent selon une direction sensiblement axiale alternant avec des portions 102 qui s'étendent selon une direction sensiblement tangentielle. Avec une telle disposition en zigzag, le jonc peut s'agrandir ou se resserrer et encaisser ainsi les écarts tangentiels pouvant se créer entre les talons des aubes. En fonctionnement, le jonc 100 vient frotter contre les parois internes des crochets 34 des talons des aubes dans lesquelles il est monté. Ce frottement permet ainsi de dissiper l'énergie vibratoire liée à la rotation de la roue mobile. Bien entendu, le jonc d'amortissement des vibrations pourrait être disposé de manière différente que celle représentée sur les figures 1 à 3. Par exemple, il pourrait présenter des portions axiales plus longues (en brisant l'alternance systématique crochet amont/crochet aval). The vibration damping rod 100 is a 360 ° ring which is closed. It has a substantially circular cross section. It can be hollow or full, twisted or braided. It is preferably formed based on cobalt. The ring is fixed on the heel of the blades by being clipped into the hooks 34. More specifically, as shown in Figure 3, the rod is snapped alternately into one of the upstream hooks 34a and one of the downstream hooks 3412 each dawn heel. Thus, the ring has portions 104 which extend in a substantially axial direction alternating with portions 102 which extend in a substantially tangential direction. With such a zigzag arrangement, the ring can expand or tighten and thus overcome the tangential differences that can be created between the blades of the blades. In operation, the rod 100 rubs against the inner walls of the hooks 34 of the heels of the blades in which it is mounted. This friction thus makes it possible to dissipate the vibratory energy related to the rotation of the moving wheel. Of course, the vibration damping rod could be arranged differently than that shown in FIGS. 1 to 3. For example, it could have longer axial portions (by breaking the systematic alternation upstream hook / downstream hook). .

Claims

REVENDICATIONS1. A turbomachine wheel (10) comprising a disk (12) having cells (26) at its periphery, and a plurality of blades (14) of composite material, each blade having a blade (16), a foot ( 18) mounted in one of the cavities of the disk and a bead (24) located in the vicinity of the free end of the blade, characterized in that: each bead has at its outer face at least one hook (341 34b ) axially open, and in that the wheel further comprises an annular vibration damping ring (100) mounted around the blade root and held thereon by means of the hooks.

A wheel according to claim 1, wherein the vibration damping ring (100) comprises substantially axial portions (104) alternating with substantially tangential portions (102).

3. Wheel according to one of claims 1 and 2, wherein each blade heel has at least one upstream hook (34a) open upstream and at least one downstream hook (34b) open downstream, the vibration damping rod alternately passing in the upstream hook and the downstream hook of each blade heel.

A wheel according to any one of claims 1 to 3, wherein the vanes (14) are made of ceramic matrix composite material and the vibration damping rod (100) is made of cobalt.

Wheel according to any one of claims 1 to 4, wherein the vibration damping rod (100) has a substantially circular section.

6. Wheel according to any one of claims 1 to 5, wherein the vibration damping rod (100) is held in the hooks of the blades of the blades by clipping .. Turbomachine comprising at least one moving wheel (10) according to any one of claims 1 to 6.