FR2961847A1 - Roue mobile a aubes en materiau composite pour moteur a turbine a gaz a liaison pied d'aube/disque par serrage - Google Patents

Roue mobile a aubes en materiau composite pour moteur a turbine a gaz a liaison pied d'aube/disque par serrage Download PDF

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Abstract

L'invention concerne une roue mobile (10) pour moteur à turbine à gaz, comprenant un disque métallique de maintien (100) ayant à sa périphérie une pluralité de dents s'étendant radialement vers l'extérieur du disque, une pluralité d'aubes en matériau composite (300), chaque aube comprenant un pied (304) qui est engagé entre deux dents adjacentes du disque de maintien et qui est maintenu entre ces dents par une liaison pivot, un disque de serrage (200) ayant à sa périphérie une pluralité de dents s'étendant selon une direction axiale, le disque de serrage étant fixé coaxialement sur le disque de maintien avec ses dents venant chacune se positionner circonférentiellement entre un pied d'aube et une dent du disque de maintien, et des moyens (400) pour exercer un effort serrage selon une direction circonférentielle des dents du disque de serrage contre les pieds des aubes.

Description

Arrière-plan de l'invention L'invention concerne le montage d'aubes en matériau composite sur un disque d'une roue mobile de moteur à turbine à gaz. Le domaine visé est celui des moteurs aéronautiques et des turbines industrielles. Une roue mobile d'un moteur à turbine à gaz, comme par exemple une roue de turbine basse-pression d'une turbomachine aéronautique, comprend généralement un disque muni à sa périphérie d'une pluralité d'alvéoles dans lesquelles sont montées les aubes de la roue par leur pied respectif. Il devient commun de remplacer les aubes métalliques d'une telle roue mobile par des aubes réalisées en matériau composite, le disque de rotor restant métallique. L'utilisation d'un matériau composite pour la fabrication des aubes se justifie en effet par sa très bonne tenue aux températures élevées auxquelles sont soumises les aubes. On pourra se référer par exemple à la demande de brevet FR 2,939,129 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. Par rapport à une aube métallique obtenue de fonderie, une aube en matériau composite présente certains inconvénients liés notamment au montage de celle-ci sur un disque métallique. En particulier, un procédé tel que celui décrit dans le document FR 2,939,129 ne permet pas d'obtenir des aubes dont les tolérances dimensionnelles soient aussi fines et précises que pour les aubes métalliques. Il en résulte des jeux fonctionnels importants entre les pieds des aubes et les alvéoles du disque dans lesquelles ils sont montés. Or, de tels jeux provoquent des basculements des aubes autour de leur pied, ce qui réduit les performances du moteur (les fuites de gaz entre les plates-formes des aubes sont augmentées).
Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de proposer une roue ne présentant pas les inconvénients précités.
Ce but est atteint grâce à une roue mobile pour moteur à turbine à gaz, comprenant : un disque métallique de maintien ayant à sa périphérie une pluralité de dents s'étendant radialement vers l'extérieur du disque ; une pluralité d'aubes en matériau composite, chaque aube comprenant un pied qui est engagé entre deux dents adjacentes du disque de maintien et qui est maintenu entre ces dents par une liaison pivot ; un disque de serrage ayant à sa périphérie une pluralité de dents s'étendant selon une direction axiale, le disque de serrage étant fixé coaxialement sur le disque de maintien avec ses dents venant chacune se positionner circonférentiellement entre un pied d'aube et une dent du disque de maintien ; et des moyens pour exercer un effort de serrage selon une direction circonférentielle des dents du disque de serrage contre les pieds des aubes. Avec une telle roue, les aubes sont maintenues sur le disque de maintien par serrage de leur pied sur le disque. Plus précisément, les pieds des aubes sont serrés entre les dents des deux disques de la roue.
Les liaisons entre les aubes en matériau composite et le disque métallique sont ainsi rigidifiées, ce qui permet de réduire les jeux entre les aubes et donc d'éviter les pertes de performance du moteur. De préférence, le disque de serrage est fixé sur le disque de maintien au moyen d'une liaison hélicoïdale permettant d'exercer un effort de serrage selon une direction circonférentielle des dents du disque de serrage contre les pieds des aubes. Cette liaison hélicoïdale peut comprendre une pluralité de vis de positionnement traversant chacune deux trous excentrés pratiqués dans des brides de fixation des disques. De préférence également, chaque liaison pivot comprend un pion qui s'étend depuis une face latérale de l'une des dents du disque de maintien selon une direction circonférentielle et qui traverse un perçage réalisé dans le pied de l'aube correspondante. Chaque pied d'aube peut comprendre une première face latérale qui est en appui plan contre une face latérale d'une dent du disque de maintien et une seconde face latérale opposée à la première qui est en appui plan contre une face latérale d'une dent du disque de serrage.
Avantageusement, la roue comprend en outre des moyens de centrage du disque de serrage sur le disque de maintien. Le disque de serrage peut comprendre une pluralité de segments angulaires de disque mis bout à bout circonférentiellement.
Chaque pied d'aube peut venir en butée radialement dans le fond d'une gorge délimitée entre deux dents adjacentes du disque de maintien. Alternativement, chaque pied d'aube peut venir en butée axialement dans le fond d'une gorge délimitée entre deux dents adjacentes du disque de serrage.
L'invention concerne également un moteur à turbine à gaz comprenant au moins une roue 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 des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les figures : - les figures 1 et 2 sont des vues partielles, en perspective et en éclaté d'une roue mobile selon l'invention ; - la figure 3 est une vue assemblée et en coupe axiale de la roue de la figure 1 ; - la figure 4 est une vue en coupe selon IV-IV de la figure 3 ; - les figures 5A et 5B montrent un exemple de réalisation de la liaison hélicoïdale entre les disques de la roue des figures 1 et 2 ; et - les figures 6A et 6B sont des vues, respectivement en coupe longitudinale et en perspective, d'une roue mobile selon une variante de réalisation de l'invention.
Description détaillée de modes de réalisation Les figures 1 et 2 représentent, de façon partielle et en éclaté, une roue mobile 10 selon l'invention. Cette roue provient d'un étage de la turbine basse-pression d'une turbomachine aéronautique. Bien entendu, l'invention s'applique plus généralement à toute roue mobile d'un moteur à turbine à gaz (aéronautique ou industrielle).
Cette roue comprend un disque de maintien 100 et un disque de serrage 200, ces disques étant métalliques et centrés sur l'axe longitudinal X-X de la turbine basse-pression autour duquel ils sont mis en rotation. Le disque de maintien 100 est muni à sa périphérie d'une pluralité de dents 102 qui font saillie radialement vers l'extérieur du disque. Ces dents 102 sont régulièrement espacées les unes des autres sur toute la circonférence du disque et délimitent entre elles des gorges 104. Les dents 102 présentent des faces latérales 102a qui sont sensiblement planes. L'une des faces latérales de ces dents comprend un pion 102b qui s'étend depuis cette face latérale selon une direction circonférentielle. Un tel pion peut présenter une section droite qui est sensiblement circulaire comme représenté sur la figure 1 ou qui peut être d'une autre forme.
Le disque de maintien 100 comprend également une bride annulaire de fixation 106 qui s'étend vers l'amont (par rapport au sens d'écoulement du flux gazeux traversant la turbine). Quant au disque de serrage 200, il est muni à sa périphérie d'une pluralité de dents 202 qui s'étendent selon une direction axiale. Ces dents sont aussi nombreuses que les dents 102 du disque de maintien et présentent chacune des faces latérales 202a qui sont sensiblement planes. Elles sont régulièrement espacées les unes des autres sur toute la circonférence du disque et délimitent entre elles des gorges 204. Le disque de serrage 200 comprend également une bride annulaire de fixation 206 qui s'étend vers l'amont depuis le fond des gorges. Cette bride de fixation est destinée à être montée contre la bride de fixation 106 correspondante du disque de maintien 100. La roue 10 comprend encore une pluralité d'aubes 300 qui sont réalisées en matériau composite, par exemple en matériau composite à matrice céramique (CMC), à partir de procédés connus de l'homme du métier. On pourra par exemple se référer à la demande de brevet FR 2,939,129 déposée conjointement aux noms de Snecma et de Snecma Propulsion Solide qui décrit la fabrication d'une telle aube comprenant un renfort fibreux obtenu par tissage tridimensionnel de fils et densifié par une matrice.
De façon plus précise, chaque aube 300 comprend une pale 302, un pied 304, une plate-forme intérieure 306 située entre le pied et la pale et éventuellement une plate-forme extérieure ou talon 308 au voisinage de son extrémité libre. Le document FR 2,939,129 dont le contenu est incorporé ici par référence décrit un exemple de réalisation d'une telle aube en une seule et même pièce. Par ailleurs, le pied 304 de chaque aube 300 présente une première et une seconde face latérale 304a qui sont sensiblement planes et qui sont traversées de part en part par un orifice 304b de forme complémentaire aux pions 102b des dents 102 du disque de maintien. Un tel orifice peut être fabriqué au cours du processus de fabrication de l'aube, soit par l'utilisation d'un insert de forme correspondante lors du tissage, soit par le perçage du pied après la première infiltration. Chaque aube 300 est maintenue sur le disque de maintien au moyen notamment du disque de serrage selon le mode opératoire suivant (figures 3, 4, 5A et 5B). Le pied 304 de chaque aube est d'abord monté entre deux dents adjacentes 102 du disque de serrage : il est plus précisément monté de sorte que sa première face latérale vienne en appui plan contre la face latérale de la dent qui est munie du pion 1021, ce dernier traversant l'orifice 304b du pied de sorte à réaliser une liaison pivot entre le pied de l'aube et la dent correspondante du disque de maintien. Le disque de serrage 200 est ensuite amené axialement depuis l'amont vers l'aval de sorte que ses dents 202 viennent chacune se positionner circonférentiellement entre un pied d'aube 304 et une dent 202 du disque de maintien. Plus précisément, l'une des faces latérales 202a de la dent en question du disque de serrage vient en appui plan contre la seconde face latérale 304a du pied d'aube. Enfin, un effort de serrage selon une direction circonférentielle est exercé par les dents 202 du disque de serrage 200 contre les pieds des aubes 304. Cet effort de serrage est obtenu au moyen d'une liaison hélicoïdale entre les disques de maintien et de serrage qui est décrite ci-après en liaison avec les figures 5A et 5B. Comme indiqué précédemment, le disque de serrage 200 de la roue est fixé sur le disque de maintien 100 au moyen des brides de fixation 206, 106 respectives de ces disques. A cet effet, ces brides de fixation 206, 106 présentent chacune une pluralité de trous, respectivement 208, 108, régulièrement répartis autour de l'axe X-X. Les trous 208 du disque de serrage sont répartis autour de l'axe X-X de sorte à être légèrement excentrés par rapport aux trous 108 du disque de maintien lorsque le disque de centrage est positionné sur le disque de serrage (ce faible écart de centrage est schématisé par le repère Y sur la figure 5A). Des vis de positionnement 400 traversent chacune deux trous pratiqués en regard l'un de l'autre dans les brides de fixation des disques.
Ces vis présentent chacune une tige filetée 402 de diamètre inférieur aux trous 108, 208 de manière à pouvoir les traverser sans contact. Par ailleurs, la tige filetée se raccorde à la tête de vis 404 au moyen d'un cylindre 406 de plus grand diamètre (la différence de diamètre entre le cylindre 406 et la tige filetée 402 est égale au moins au double de la valeur de l'excentrage Y). Comme représenté sur la figure 5B, un effort de pression suffisant sur la tête 404 des vis 400 permet de réaligner les trous 108, 208 entre eux (l'excentrage Y devient nul), ce qui a pour effet que le disque de serrage pivote légèrement autour de l'axe X-X en exerçant un effort de serrage de ses dents contre les pieds des aubes. Des écrous 408 sont alors vissés sur la tige filetée 402 des vis. Ainsi, les pieds 304 des aubes 300 sont serrés entre les deux disques 100, 200 de la roue assurant un parfait maintien des aubes. Ce serrage est réalisé avec un jeu qui est calculé en fonction des jeux de dilatation et des dispersions géométriques dues aux tolérances de fabrication et aux déplacements des disques. On notera que l'orientation des aubes sur les disques peut être obtenue, soit par une mise en butée radiale de chaque pied d'aube 304 dans le fond de la gorge 104 correspondante du disque de maintien, soit par une mise en butée axiale de chaque pied d'aube dans le fond de la gorge 204 du disque de serrage. On notera également qu'il peut être avantageusement prévu des moyens de centrage du disque de serrage 200 sur le disque de maintien 100. Comme représenté sur la figure 3, un tel centrage peut être réalisé au moyen d'un épaulement annulaire 210 formé à l'extrémité libre de la bride de fixation 206 du disque de serrage et venant se loger sous la bride de fixation 106 du disque de maintien. Ainsi, il est possible de maintenir en position les appuis plans des pieds d'aube et de faciliter le montage des aubes. Les figures 6A et 6B représentent une roue mobile 10' selon une variante de réalisation de l'invention. Cette roue se distingue de celle précédemment décrite en ce que le disque de serrage 200 est formé d'une pluralité de segments angulaires de disque 200a qui sont mis bout à bout circonférentiellement pour former un anneau de 360°. Une telle sectorisation du disque de serrage permet d'en faciliter le montage sur le disque de maintien 100. Par ailleurs, dans cette variante de réalisation, il est prévu un double centrage du disque de serrage sur le disque de maintien : un premier centrage est réalisé par l'épaulement annulaire 210 formé à l'extrémité libre de la bride de fixation 206 du disque de serrage et venant se loger sous la bride de fixation 106 du disque de maintien, et un second centrage est réalisé par un épaulement annulaire 212 du disque de serrage venant se positionner contre un épaulement annulaire 110 correspondant du disque de maintien (figure 6A).

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS1. Roue mobile (10 ; 10') pour moteur à turbine à gaz, comprenant un disque métallique de maintien (100) ayant à sa périphérie une pluralité de dents (102) s'étendant radialement vers l'extérieur du disque ; une pluralité d'aubes en matériau composite (300), chaque aube comprenant un pied (304) qui est engagé entre deux dents adjacentes du disque de maintien et qui est maintenu entre ces dents par une liaison pivot ; un disque de serrage (200) ayant à sa périphérie une pluralité de dents (202) s'étendant selon une direction axiale, le disque de serrage étant fixé coaxialement sur le disque de maintien avec ses dents venant chacune se positionner circonférentiellement entre un pied d'aube et une dent du disque de maintien ; et des moyens (400) pour exercer un effort de serrage selon une direction circonférentielle des dents du disque de serrage contre les pieds des aubes.
  2. 2. Roue selon la revendication 1, dans laquelle le disque de serrage (200) est fixé sur le disque de maintien (100) au moyen d'une liaison hélicoïdale permettant d'exercer un effort de serrage selon une direction circonférentielle des dents du disque de serrage contre les pieds des aubes.
  3. 3. Roue selon la revendication 2, dans laquelle la liaison hélicoïdale comprend une pluralité de vis de positionnement (400) traversant chacune deux trous (108, 208) excentrés pratiqués dans des brides de fixation (106, 206) des disques.
  4. 4. Roue selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle chaque liaison pivot comprend un pion (10212) qui s'étend depuis une face latérale (102a) de l'une des dents (102) du disque de maintien selon une direction circonférentielle et qui traverse un perçage (30412) réalisé dans le pied (304) de l'aube correspondante.
  5. 5. Roue selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle chaque pied d'aube (304) comprend une première face latérale (304a) qui est en appui plan contre une face latérale d'une dent du disque de maintien et une seconde face latérale (304a) opposée à la première qui est en appui plan contre une face latérale d'une dent du disque de serrage.
  6. 6. Roue selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, 10 comprenant en outre des moyens (210) de centrage du disque de serrage sur le disque de maintien.
  7. 7. Roue selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle le disque de serrage comprend une pluralité de segments 15 angulaires (200a) de disque mis bout à bout circonférentiellement.
  8. 8. Roue selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle chaque pied d'aube (304) vient en butée radialement dans le fond d'une gorge (104) délimitée entre deux dents (102) adjacentes du disque 20 de maintien (100).
  9. 9. Roue selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle chaque pied d'aube (304) vient en butée axialement dans le fond d'une gorge (204) délimitée entre deux dents (202) adjacentes du disque 25 de serrage (200).
  10. 10. Roue selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle les aubes (300) sont en matériau composite à matrice céramique. 30
  11. 11. Moteur à turbine à gaz comprenant au moins une roue (10 ; 10') selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.
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