FR2983899A1

FR2983899A1 - Rotor for low pressure turbine of e.g. twin spool type aeronautical turboshaft engine, has balancing mass placed in cell of disk, which is not occupied by blade root, where number of cells in disk is greater than that of blades

Info

Publication number: FR2983899A1
Application number: FR1161523A
Authority: FR
Inventors: Olivier Belmonte; Corinne Thiebault
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2013-06-14
Anticipated expiration: 2031-12-13
Also published as: FR2983899B1

Abstract

The rotor has disks (20a, 20b) comprising a set of cells (18) formed at external periphery of the disks. Each of a set of blades (16) is mounted by a root (17) in the corresponding cell of the disk, where number of cells in each disk is greater than that of the blades. A balancing mass (28) is placed in the cell that is not occupied by the blade root. The disk is made of a material e.g. metal superalloy, having a density higher than a constitutive material such as aluminum based metal alloy or composite material, of the blade.

Description

Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne l'équilibrage d'un rotor de turbine à gaz pour compenser le balourd affectant celui-ci. L'un des domaines d'application de l'invention est celui des turbines basse-pression de turbomachines aéronautiques du type à double corps et double flux. Typiquement, la turbine basse-pression d'une turbomachine comprend une pluralité d'étages modulaires de turbine composés chacun d'un distributeur et d'un rotor placé derrière le distributeur. Chaque distributeur est formé de plusieurs aubes fixes disposées dans la veine d'écoulement, tandis que les rotors se composent chacun d'une pluralité d'aubes mobiles également disposées dans la veine d'écoulement et montées par leur pied dans des alvéoles d'un disque de rotor. Chaque étage modulaire de turbine est lié aux étages qui lui sont adjacents par l'intermédiaire de leur disque de rotor respectif qui sont assemblés entre eux au moyen de liaisons boulonnées traversant des brides de fixation. Par ailleurs, il est connu de réaliser un équilibrage en dynamique des différents rotors de la turbine pour réduire leur balourd et ainsi limiter les impacts vibratoires affectant en fonctionnement la turbomachine. Cet équilibrage est réalisé en ajoutant des masses dites d'équilibrage à différents positionnements angulaires des disques de rotor. Généralement, ces masses d'équilibrage sont fixées sur le disque par l'intermédiaire des liaisons boulonnées utilisées pour assembler entre eux les différents étages de la turbine. BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to the balancing of a gas turbine rotor to compensate for the imbalance affecting it. One of the fields of application of the invention is that of low-pressure turbine turbomachines aerospace dual body type and dual flow. Typically, the low-pressure turbine of a turbomachine comprises a plurality of modular turbine stages each composed of a distributor and a rotor placed behind the distributor. Each distributor is formed of several fixed vanes disposed in the flow duct, while the rotors each consist of a plurality of vanes also arranged in the flow duct and mounted by their foot in cells of a rotor disk. Each modular turbine stage is connected to the adjacent stages via their respective rotor disc which are connected together by means of bolted connections passing through clamps. Furthermore, it is known to achieve a dynamic balance of the different rotors of the turbine to reduce their unbalance and thus limit the vibration impacts affecting the operation of the turbomachine. This balancing is achieved by adding balancing masses to different angular positions of the rotor discs. Generally, these balancing masses are fixed on the disk by means of bolted connections used to assemble between them the different stages of the turbine.

Certaines configurations de turbine ne permettent toutefois pas de positionner les masses d'équilibrage à de tels endroits. Ceci est notamment le cas lorsque les différents disques unitaires de rotor de la turbine sont remplacés par des assemblages monoblocs de deux ou plusieurs disques de rotor (on parle également de « spools de rotors »). Some turbine configurations, however, do not allow to position the balancing masses in such places. This is particularly the case when the individual turbine rotor disks are replaced by one-piece assemblies of two or more rotor discs (also referred to as "rotor spools").

En effet, dans un spool de rotors, deux ou plusieurs disques de rotor sont liés entre eux pour former un ensemble monobloc qui est dépourvu de liaisons boulonnées (les disques peuvent être usinés à partir d'une seule et même pièce ou être reliés entre eux par soudure). Or, l'absence de liaisons boulonnées ne permet plus d'y fixer des masses d'équilibrage.35 Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant un rotor de turbine pouvant être équilibré par ajout de masses d'équilibrage même si ce rotor est intégré à un spool de rotors. Ce but est atteint grâce à un rotor de turbine à gaz, comprenant un disque ayant une pluralité d'alvéoles formées à sa périphérie extérieure, et une pluralité d'aubes montées chacune par un pied dans une alvéole du disque, et dans lequel, conformément à l'invention, le disque comprend plus d'alvéoles que d'aubes, le rotor comprenant en outre au moins une masse d'équilibrage logée dans une alvéole du disque non occupée par un pied d'aube. Prévoir plus d'alvéoles sur le disque qu'il n'y a d'aubes à monter permet de pouvoir profiter des alvéoles non occupées par un pied d'aube pour y loger une masse d'équilibrage. Le rotor selon l'invention présente donc pour avantage de pouvoir disposer des masses d'équilibrage même en l'absence de brides de fixation sur les disques. Il est ainsi parfaitement adapté à une configuration dans laquelle les disques de rotor d'une turbine basse-pression se présentent sous la forme de spools de rotor. Par ailleurs, le nombre plus élevé d'alvéoles que d'aubes permet de réduire la masse globale du disque par le retrait de matière superflue à la tenue des aubes. De préférence, le disque est réalisé dans un matériau ayant une masse volumique plus élevée que le matériau dans lequel sont réalisées les aubes. Par exemple, le disque peut être réalisé dans un superalliage métallique et les aubes dans en matériau composite ou dans un alliage métallique à base d'aluminium. La réalisation des aubes dans de tels matériaux permet de réduire les efforts centrifuges auxquels elles sont soumises en fonctionnement. La réduction de la masse des aubes a également pour conséquence de permettre de diminuer considérablement la largeur de leur pied par rapport à une aube conventionnelle en superalliage métallique. Associé à un disque en superalliage métallique capable de supporter de forts chargements mécaniques, de telles aubes à masse volumique plus faible permettent donc de faciliter la mise en place d'un nombre plus élevé d'alvéoles qu'il n'y a d'aubes sans pour autant dégrader la tenue mécanique de l'ensemble. Chaque masse d'équilibrage peut présenter sensiblement une forme de pied d'aube. De préférence également, chaque masse d'équilibrage comprend des moyens pour assurer son maintien axial dans l'alvéole du disque. Par exemple, chaque masse d'équilibrage peut comprendre un épaulement destiné à venir en butée contre une face latérale du disque de façon à assurer son maintien axial dans l'alvéole du disque. Indeed, in a spool of rotors, two or more rotor discs are interconnected to form a one-piece assembly that is free of bolted connections (the discs can be machined from one piece or be interconnected by welding). However, the absence of bolted connections no longer makes it possible to fix balancing masses. OBJECT AND SUMMARY OF THE INVENTION The main object of the present invention is thus to overcome such disadvantages by proposing a turbine rotor which can be balanced by adding balance weights even if this rotor is integrated with a spool of rotors. This object is achieved by means of a gas turbine rotor, comprising a disk having a plurality of cells formed at its outer periphery, and a plurality of blades each mounted by a foot in a cell of the disk, and in which, in accordance with to the invention, the disk comprises more cells than blades, the rotor further comprising at least one balancing mass housed in a cell of the disk not occupied by a blade root. To envisage more cavities on the disc than there are blades to be mounted makes it possible to be able to take advantage of the cells not occupied by a foot of blade to lodge there a mass of balancing. The rotor according to the invention therefore has the advantage of being able to have balancing masses even in the absence of fixing flanges on the discs. It is thus perfectly suited to a configuration in which the rotor disks of a low-pressure turbine are in the form of rotor spools. Moreover, the higher number of cells than blades reduces the overall mass of the disk by the withdrawal of superfluous material to the blade holding. Preferably, the disc is made of a material having a higher density than the material in which the blades are made. For example, the disk may be made of a metal superalloy and the blades in composite material or in an aluminum-based metal alloy. The embodiment of the blades in such materials reduces the centrifugal forces to which they are subjected in operation. The reduction of the mass of the blades also has the effect of making it possible to considerably reduce the width of their feet relative to a conventional blade made of metallic superalloy. Associated with a metal superalloy disc capable of withstanding high mechanical loads, such blades with a lower density thus make it easier to set up a larger number of cells than there are blades. without degrading the mechanical strength of the whole. Each balancing mass may have substantially a blade root shape. Also preferably, each balancing mass comprises means for ensuring its axial retention in the cavity of the disc. For example, each balancing mass may comprise a shoulder intended to abut against a lateral face of the disk so as to ensure its axial retention in the cavity of the disk.

Le disque peut comprendre deux fois plus d'alvéoles que d'aubes, les aubes étant réparties angulairement dans les alvéoles du disque de sorte à alterner alvéole occupée par un pied d'aube / alvéole non occupée par un pied d'aube. De préférence encore, une masse d'équilibrage est logée dans chaque alvéole du disque non occupée par un pied d'aube, au moins deux des masses d'équilibrage présentant des masses différentes. Insérer une masse d'équilibrage dans chaque alvéole non occupée du disque permet d'éviter les phénomènes d'ouverture de dent de disque en fonctionnement et de limiter les réintroductions d'air dans les alvéoles vides. The disc may comprise twice as many cells as blades, the blades being angularly distributed in the alveoli of the disk so as to alternate cells occupied by a blade root / cell not occupied by a blade root. More preferably, a balancing mass is accommodated in each cell of the disk not occupied by a blade root, at least two balancing masses having different masses. Inserting a balancing mass into each unoccupied cavity of the disk makes it possible to prevent disc opening phenomena during operation and to limit reintroductions of air into the empty cavities.

L'invention concerne aussi une turbine basse-pression de turbomachine, comprenant au moins deux rotors tels que définis précédemment, les disques des rotors étant liés entre eux pour former un ensemble monobloc dépourvu de liaisons boulonnées. L'invention concerne encore une turbomachine comprenant une telle turbine basse- pression. 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 en coupe longitudinale d'une turbine basse-pression de turbomachine montrant un rotor auquel s'applique l'invention ; - la figure 2 est une vue de face et partielle d'un rotor conforme à l'invention ; et - les figures 3A et 3B sont des vues en perspective d'une masse d'équilibrage utilisée pour le rotor de la figure 2. Description détaillée de l'invention L'invention est applicable à différents types de rotors de turbine à gaz, et notamment à un rotor de turbine basse-pression d'une turbomachine aéronautique du type à double corps et double flux, telle que celle représentée partiellement sur la figure 1. La turbine basse-pression 10 de cette figure comprend une pluralité d'étages de turbine successifs qui sont centrés sur un axe longitudinal X-X de la turbomachine (seuls les deux premiers étages de turbine sont représentés sur la figure). Chaque étage de turbine se compose d'un distributeur formé d'une pluralité d'aubes fixes 12 disposées dans une veine d'écoulement 14 et d'un rotor (ou roue mobile) placé derrière le distributeur et formé d'une pluralité d'aubes mobiles 16 également disposées dans la veine d'écoulement 14 et montées par leur pied 17 dans des alvéoles 18 d'un disque de rotor 20a, 20b. Les disques de rotor 20a, et 20b de la turbine sont centrés sur l'axe longitudinal X-X de la turbomachine. Chacun d'entre eux comprend une bride annulaire amont 22 qui s'étend vers l'amont depuis une face latérale amont du disque et une bride annulaire aval 24 qui s'étend vers l'aval depuis une face latérale aval du disque. Les disques de rotor 20a et 20b sont assemblés entre eux au moyen de leurs brides respectives 22, 24. Plus précisément, ces disques sont reliés entre eux par un cordon de soudure 26 déposé entre les extrémités libres de leur bride amont 22 et aval 24 de sorte à former un ensemble monobloc de disques. Alternativement, l'assemblage entre ces deux disques pourrait être réalisé en usinant les disques à partir d'une seule et même pièce. Alternativement encore, cet assemblage de disques pourrait être réalisé à l'aide de liaisons boulonnées entre leurs brides respectives. Chaque disque de rotor 20a, 20b comprend à sa périphérie extérieure une pluralité d'alvéoles 18 s'étendant sensiblement selon l'axe longitudinale X-X et ouvertes vers l'extérieur. Selon l'invention, le nombre d'alvéoles 18 est plus grand que le nombre d'aubes de rotor 16 montées sur le disque. Les alvéoles sont ainsi pour certaines destinées à recevoir le pied 17 d'une aube de rotor 16 et pour d'autres destinées à recevoir une masse d'équilibrage 28 (figure 2) décrite ultérieurement. Par ailleurs, de façon connue, chaque disque de rotor 20a, 20b est réalisé dans un superalliage métallique tel qu'en Inconel® par exemple. Quant aux aubes de rotor 16, elles sont de préférence réalisées en matériau composite (de type en carbone à matrice céramique) ou dans un alliage métallique à base d'Aluminium, par exemple de type NiAI. Avec une telle combinaison de matériau, les disques de rotor sont ainsi réalisés dans un matériau ayant une masse volumique plus élevée que le matériau dans lequel sont réalisées les aubes de rotor. Compte tenu de leur faible masse volumique, les aubes de rotor peuvent notamment avoir un pied de largeur réduite par rapport à une aube conventionnelle en superalliage métallique, ce qui facilite la mise en place d'un nombre plus élevé d'alvéoles sur les disques de rotor qu'il n'y a d'aubes de rotor à monter sur ceux-ci. En particulier, il est possible de prévoir pour chaque disque de rotor 20a, 20b deux fois plus d'alvéoles 18 que d'aubes 16, les aubes étant réparties angulairement dans les alvéoles du disque de sorte à alterner alvéole occupée par un pied d'aube / alvéole non occupée par un pied d'aube. Comme représenté sur la figure 2, le disque de rotor 20a, 20b comprend ainsi deux fois plus d'alvéoles 18 qu'il n'y a d'aubes de rotor 16, chaque alvéole occupée par le pied 17 d'une aube étant encadrée par deux alvéoles non occupée par un pied d'aube. Au moins l'une de ces alvéoles non occupées par un pied d'aube - et de préférence l'ensemble de ces alvéoles - est occupée, selon l'invention, par une masse d'équilibrage 28. Comme représenté sur les figures 3A et 3B, chaque masse d'équilibrage se présente sous la forme d'une pièce amovible ayant une forme de pied d'aube. Cette pièce présente une masse prédéterminée qui lui est spécifique (variant par exemple de 3 à 12 grammes). Des aménagements géométriques de forme (par exemple des retraits de matière 30) permettent de faire varier la masse de ces pièces de sorte à pouvoir disposer d'un lot de plusieurs masses d'équilibrage de poids différents. A géométrie identique, le matériau utilisé pour réaliser ces pièces permet également de jouer sur leur masse. The invention also relates to a turbomachine low-pressure turbine, comprising at least two rotors as defined above, the rotors disks being bonded together to form a one-piece assembly without bolted connections. The invention also relates to a turbomachine comprising such a low-pressure turbine. 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 longitudinal sectional view of a low-pressure turbomachine turbine showing a rotor to which the invention applies; FIG. 2 is a front and partial view of a rotor according to the invention; and FIGS. 3A and 3B are perspective views of a balancing mass used for the rotor of FIG. 2. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The invention is applicable to various types of gas turbine rotors, and in particular to a low-pressure turbine rotor of a double-body and dual-flow type aeronautical turbomachine, such as that partially shown in FIG. 1. The low-pressure turbine 10 of this figure comprises a plurality of turbine stages. successive which are centered on a longitudinal axis XX of the turbomachine (only the first two turbine stages are shown in the figure). Each turbine stage consists of a distributor formed of a plurality of fixed blades 12 arranged in a flow channel 14 and a rotor (or moving wheel) placed behind the distributor and formed of a plurality of blades 16 also arranged in the flow channel 14 and mounted by their foot 17 in cells 18 of a rotor disc 20a, 20b. The rotor discs 20a and 20b of the turbine are centered on the longitudinal axis X-X of the turbomachine. Each of them comprises an upstream annular flange 22 which extends upstream from an upstream lateral face of the disc and a downstream annular flange 24 which extends downstream from a downstream lateral face of the disc. The rotor discs 20a and 20b are assembled together by means of their respective flanges 22, 24. More specifically, these discs are interconnected by a weld bead 26 deposited between the free ends of their upstream flange 22 and downstream flange 24. so as to form a monobloc set of disks. Alternatively, the assembly between these two discs could be achieved by machining the discs from one and the same piece. Alternatively again, this assembly of discs could be made using bolted connections between their respective flanges. Each rotor disc 20a, 20b comprises at its outer periphery a plurality of cells 18 extending substantially along the longitudinal axis X-X and open towards the outside. According to the invention, the number of cells 18 is greater than the number of rotor blades 16 mounted on the disk. The cells are thus for some intended to receive the foot 17 of a rotor blade 16 and for others intended to receive a balancing mass 28 (Figure 2) described later. Moreover, in known manner, each rotor disc 20a, 20b is made of a metallic superalloy such as Inconel® for example. As for the rotor vanes 16, they are preferably made of a composite material (of the ceramic matrix carbon type) or of an aluminum-based metal alloy, for example of the NiAl type. With such a combination of materials, the rotor discs are thus made of a material having a higher density than the material in which the rotor blades are made. Given their low density, the rotor blades may in particular have a reduced foot width compared to a conventional blade metal superalloy, which facilitates the establishment of a higher number of cells on the discs of rotor that there are rotor blades to mount on them. In particular, it is possible to provide for each rotor disk 20a, 20b twice as many cells 18 as blades 16, the blades being angularly distributed in the cavities of the disk so as to alternate cells occupied by a foot of dawn / alveolus not occupied by a dawn foot. As shown in FIG. 2, the rotor disk 20a, 20b thus comprises twice as many cells 18 as there are rotor vanes 16, each cell occupied by the foot 17 of a blade being framed by two cells not occupied by a blade root. At least one of these cells not occupied by a blade root - and preferably all of these cells - is occupied, according to the invention, by a balancing mass 28. As shown in FIGS. 3B, each balancing mass is in the form of a removable piece having a blade root shape. This piece has a predetermined mass that is specific to it (varying for example from 3 to 12 grams). Geometric arrangements of shape (for example withdrawals of material 30) make it possible to vary the mass of these parts so as to be able to have a batch of several balancing weights of different weights. With identical geometry, the material used to make these pieces also makes it possible to play on their mass.

La ou les masses d'équilibrage 28 sont ainsi positionnées dans des alvéoles vides (c'est-à-dire non occupées par un pied d'aube) du disque de rotor 20a, 20b de façon à assurer un équilibrage en dynamique du rotor de turbine pour réduire son balourd et ainsi limiter les impacts vibratoires affectant en fonctionnement la turbomachine. Par ailleurs, selon une disposition avantageuse, chaque masse d'équilibrage 28 comprend un épaulement 32 destiné à venir axialement en butée contre une face latérale du disque de rotor 20a, 20b sur lequel elle est positionnée de façon à assurer son maintien axial dans l'alvéole correspondante 18 du disque (voir la figure 2). The balancing mass (s) 28 are thus positioned in empty cavities (ie not occupied by a blade root) of the rotor disc 20a, 20b so as to ensure dynamic balancing of the rotor of the rotor. turbine to reduce its unbalance and thus limit vibration impacts affecting the operation of the turbomachine. Furthermore, according to an advantageous arrangement, each balancing mass 28 comprises a shoulder 32 intended to come axially in abutment against a lateral face of the rotor disc 20a, 20b on which it is positioned so as to ensure its axial retention in the corresponding cell 18 of the disk (see Figure 2).

Claims

REVENDICATIONS1. A gas turbine rotor comprising a disk (20a, CLAIMS), a gas turbine rotor comprising a disk (20a, 20b) having a plurality of cells (18) formed at its outer periphery, and a plurality of blades ( 16) each mounted by a foot (17) in a cavity of the disk, characterized in that the disk comprises more cells than blades, the rotor further comprising at least one balancing mass (28) housed in a alveolus of the disc not occupied by a dawn foot.

2. Rotor according to claim 1, characterized in that the disc (20a, 20b) is made of a material having a higher density than the material in which the vanes (16) are formed.

3. Rotor according to claim 2, characterized in that the disc (20a, 20b) is made of a metal superalloy and the vanes (16) are made of composite material or an aluminum-based metal alloy.

4. Rotor according to any one of claims 1 to 3, characterized in that each balancing mass (28) has substantially a blade root shape.

5. Rotor according to any one of claims 1 to 4, characterized in that each balancing mass (28) comprises means for ensuring its axial retention in the cell of the disc.

6. Rotor according to claim 5, characterized in that each balancing mass (28) comprises a shoulder (32) intended to abut against a side face of the disk so as to ensure its axial retention in the cell of the disk.

7. Rotor according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the disc comprises twice as many cells than 35 blades, the blades being angularly distributed in the alveoli of the disc so as to alternate the cell occupied by a dawn foot / alveolus not occupied by a dawn foot.

8. Rotor according to any one of claims 1 to 7, characterized in that a balancing mass is housed in each cell of the disk not occupied by a blade root, at least two balancing masses having different masses.

9. Low-pressure turbine (10) turbomachine, characterized in that it comprises at least two rotors according to any one of claims 1 to 8, the rotor discs being interconnected to form a unitary assembly without bolted connections.

10. A turbomachine characterized in that it comprises a low-pressure turbine according to claim 9.