FR3024887A1 - Diffuseur radial a fixation ductile - Google Patents

Abstract

Est concerné un diffuseur radial (12) destiné à l'alimentation en air d'une chambre de combustion dans une turbomachine, le diffuseur radial comportant deux flasques annulaires (22, 24) reliés par des pales (26) qui sont fixées à l'un au moins desdits flasques par des alliages de brasage, caractérisé en ce que les alliages de brasage sont ductiles.

Description

1 DIFFUSEUR RADIAL A FIXATION DUCTILE L'invention concerne un diffuseur radial destiné à l'alimentation en air d'une chambre de combustion dans une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. Dans certaines réalisations, le dernier étage du compresseur d'alimentation (haute pression, HP) dans une turbomachine est un étage centrifuge dont la sortie est entourée par un diffuseur annulaire radial. Ce diffuseur est raccordé en sortie à un diffuseur axial, a priori annulaire et cylindrique, qui alimente une chambre annulaire de combustion. La fabrication des diffuseurs respectivement radial et axial pose un certain nombre de problèmes. En effet, dans des solutions déjà proposées, une partie au moins de l'ensemble de ces deux diffuseurs est taillée dans la masse, l'autre partie étant réalisée de fonderie ou par mécano-soudure et fixée par boulonnage à la première partie ou à un carter. Or, la faible épaisseur des pales et des flasques et viroles fait qu'il est très difficile de réaliser ainsi ces pièces, ce qui a pour conséquence des taux de rebut en fabrication trop élevés, voire des problèmes d'approvisionnement et de coût important.

Aussi a-t-il déjà été proposé, dans EP1882821, notamment un diffuseur radial destiné à l'alimentation en air d'une chambre de combustion dans une turbomachine, le diffuseur radial comportant deux flasques annulaires reliés par des pales qui sont fixées à l'un au moins desdits flasques par des alliages de brasage.

Les brasures servent alors de méthode d'assemblage entre le ou les flasques et les pales, ainsi que d'étanchéité au niveau de leurs interfaces. Dans ce cadre, on connaît des alliages de brasage contenant les concentrations relativement élevées de titane. Typiquement, le titane contenu est supérieur à environ 7% en poids. Ces alliages sont rigides, durs, et, lors du brasage, une phase dispersée fragile (brittle dispersed phase) est présente.

3024 887 2 Cette technologie et méthode d'assemblage fonctionne bien sur des diffuseurs d'étages centrifuges de moteurs d'hélicoptères moins contraints mécaniquement que les turbomoteurs d'avions. Cela est moins convaincant si de hautes températures rencontrées 5 en fonctionnement (plus de 500, voir 550°C) conduisent à un fort niveau de contrainte très localisé sur la brasure au niveau de la jonction des deux flasques, en amont et en aval des pales qui les relient. Le niveau de contrainte peut s'avérer non compatible avec la tenue mécanique de la brasure qui est un matériau fragile. Ce fort niveau de contrainte peut alors 10 conduire à des criques dans la brasure, lesquels risquent de se propager et de conduire à la dissociation des flasques en fonctionnement, ce qui n'est pas acceptable. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, satisfaisante et économique à ce problème.

15 Elle propose à cet effet que les alliages de brasage utilisés pour les brasures précitées soient ductiles. Des exemples de tels alliages de brasage ductiles se trouvent dans EP 0104623 ou EP 0185954. Jusqu'à présent, sur un moteur d'avion, en particulier un 20 turboréacteur ou un turbopropulseur, il a été considéré qu'un diffuseur radial, qui est une pièce notablement sollicitée en température (plus de500, voire 550°C) et en contraintes mécaniques diverses, ne conservait une qualité de fabrication et une pérennité en fonctionnement qu'avec des brasures traditionnelles, donc non ductiles.

25 Assembler un diffuseur radial en utilisant des brasures ductiles va donc à l'encontre des préjugés actuels, à la connaissance des inventeurs où la tenue mécanique à l'endroit de la brasure elle-même est un critère décisif. En l'espèce, il est au contraire accepté que la brasure soit plus 30 « molle », avec une tenue mécanique moins importante, mais une capacité 3024887 3 de plastification lors d'une sollicitation mécanique. Les déformations sont acceptées, sans rupture, et l'étanchéité est alors préservée. Selon une autre caractéristique de l'invention, le ou chaque flasque annulaire précité auquel sont fixées les pales comporte des ajours que 5 l'une au moins des extrémités des pales traverse et où les alliages ductiles de brasage sont situés. Un tel engagement des pales dans de tels ajours va favoriser une stabilité de ces pales et donc une sécurité accrue quant à la tenue des brasures. Par un engagement relativement serré des pales, on les 10 sécurisera mécaniquement, et ce d'autant plus avec une telle disposition sur le flasque concerné, voire les deux flasques : amont et aval. Dans ce dernier cas, l'engagement amont sécurisera (participera au maintien) de la brasure aval et inversement. Il en est de même si, comme conseillé, les extrémités des pales qui 15 traversent les ajours définissent des excroissances locales sur les pales. Les pales en seront renforcées. Un avantage peut d'ailleurs être tiré de cet engagement d'extrémité de pales dans des ajours. En effet, en faisant s'étendre les extrémités des pales qui traversent 20 les ajours au-delà des ajours et de la face opposée du ou de chaque flasque annulaire, il va être possible de faire que ces extrémités de pales soient retenues à l'encontre de leur retrait hors des ajours par des moyens d'assemblage mécaniques. Ainsi, au-delà de l'appui que trouve la pale dans son ajour, ces 25 moyens d'assemblage mécaniques vont favoriser la retenue la pale et donc empêcher un éventuel écartement des flasques l'un par rapport à l'autre, si besoin était. En outre, cette retenue va favoriser la maîtrise de la précontrainte axiale pour assurer que les deux flasques et les pales, latéralement, soient bien plaqués ensemble. On sécurisera la maîtrise de la 30 hauteur de veine, ce qui est important pour les performances aérodynamiques du diffuseur radial.

3024887 4 Par souci de praticité, de maintien performant et sûr, de simplicité de réalisation et de maîtrises des coûts et des temps de mise en oeuvre, il est par ailleurs recommandé que, si les moyens d'assemblage mécaniques précités sont effectivement prévus, comme conseillé, ceux-ci comprennent 5 des pattes engagées dans des orifices, des rainures ou des encoches formés à travers les extrémités des pales. Dans ce cas, pour là encore sécuriser le maintien, tout en anticipant une possible maintenance nécessitant un retrait des pattes, il est de préférence prévu que les pattes soient engagées transversalement à la 10 direction suivant laquelle les extrémités des pales traversent les ajours, ou que les pattes sont engagées de biais dans les encoches. Prévoir des pattes courbées, par exemple en L, appartenant à un anneau coaxial aux flasques annulaires et le long duquel lesdites pattes seront réparties permettra d'engager (voire de dégager pour maintenance) 15 les pattes toutes ensemble, dans un seul mouvement de rotation de l'anneau vis-à-vis des passages d'engagement de ces pattes. Outre le diffuseur radial précité, est également ici concerné l'ensemble comprenant ce diffuseur radial et un diffuseur axial agencé en sortie du diffuseur radial, au moins l'alliage de brasage utilisé dans le 20 diffuseur radial pour la fixation à ses pales de l'un au moins des flasque étant donc ductile. Est en outre aussi concernée la turbomachine, telle le turboréacteur ou le turbopropulseur d'avion en cause, qui sera donc équipée du diffuseur radial précité, isolé ou en ensemble avec le diffuseur axial qui le jouxte.

25 L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celles-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un ensemble 30 diffuseur selon l'invention ; 3024887 5 - les figures 2,3 sont deux vues schématiques en perspective d'une partie du diffuseur radial montrant, pour la figure 3, un engagement précontraint de quelques pales de ce diffuseur radial; et - les figures 4,5,6,7,8,9,10,11 sont des vues schématiques en perspective 5 qui, pour partie par transparence, montrent plusieurs versions du maintien de l'engagement des pales du diffuseur radial, ici vis-à-vis de l'un des deux flasque, les figures 9-11 se rapportant à la même solution. Sur le figures, les parties ou traits en pointillés se rapportent à des zones cachées, les traits continus à des zones visibles.

10 L'ensemble 10 représenté figure 1 comprend un diffuseur annulaire radial 12 raccordé en sortie à un diffuseur axial (ou redresseur) 14 annulaire qui peut être cylindrique. Le terme « axial » s'apprécie par rapport à l'axe 1 de la turbomachine 15 ici concernée, qui est l'axe de rotation du compresseur et 15 celui autour duquel sont centrés le flasque annulaire amont 22 et le flasque annulaire aval 24 mentionnés ci-après. La direction « radiale » lui est sensiblement et globalement perpendiculaire. L'ensemble 10 est destiné à être monté en sortie du dernier étage centrifuge 16 d'un compresseur HP d'avion appartenant à un turboréacteur 20 ou turbopropulseur. Cet étage comprend un rouet 17 destiné à tourner suivant l'axe 1 de rotation du compresseur. L'entrée 18 du diffuseur radial 12 est radialement alignée avec la sortie de l'étage centrifuge 16, la sortie 19 du diffuseur axial 14 alimentant 25 en gaz une chambre annulaire de combustion 20, d'une façon connue de l'homme du métier. Le diffuseur radial 12 comporte un flasque annulaire amont 22 et un flasque annulaire aval 24, qui sont sensiblement parallèles et s'étendent annulairement autour de l'axe de rotation 1 du compresseur et qui sont 30 reliés entre eux par des pales 26; voir figure 2.

3024887 6 Les expressions amont (AM) et aval (AV) sont à considérer par rapport au sens global de circulation des gaz qui s'écoulent de l'amont vers l'aval selon la flèche 23 de la figure 1. Les pales 26 sont de préférence à orientation sensiblement 5 hélicoïdale autour de l'axe de rotation 1 du compresseur. Le diffuseur axial 14 comporte deux viroles cylindriques respectivement externe 28 et interne 30, qui sont coaxiales, disposées l'une à l'intérieur de l'autre et reliées par des pales 32 sensiblement radiales.

10 Les flasques annulaires 22 et 24 du diffuseur radial et les viroles cylindriques 28 et 30 du diffuseur axial sont formés d'organes minces en épaisseur, de type tôles ou pièces amincies taillées dans la masse (métal, typiquement acier), auxquelles les extrémités des pales 26 et 32, respectivement, sont fixées ou avec lesquelles l'une de ces extrémités est 15 réunie de façon monobloc (typiquement du fait d'une fabrication par taille dans la masse. Conformément à une caractéristique importante précitée concernant le diffuseur radial 12, ses pales 26 sont fixées par brasures ductiles à l'une au moins des faces de l'un au moins des flasques amont 22 et aval 24 (voir 20 repères 33 figures 4 à 7), après que l'une au moins des extrémités des pales 26 ait été engagée dans des ajours réalisés à la forme de l'extrémité concernée des pales 26, tels les ajours 34 de la figure 2 ménagés dans le flasque 22. Certes, les deux flasques 22 et 24 pourront être ainsi fixés par 25 brasures ductiles avec les pales 26. Mais il pourra être avantageux que seul de ces flasques soit concerné (comme le flasque amont sur la figure 2) par la fixation via la brasure. Pour l'autre côté (comme le flasque aval 24 sur la figure 2), les pales et le flasque pourront donc être taillés ensemble dans la masse. Le flasque concerné et les pales 26 seront alors 30 monoblocs, fabriqués d'une seule pièce, de ce côté (voir zones de continuité structurelle 35 figure 2).

3024 887 7 Un avantage pourra être trouvé à cela, dès lors que la fabrication monobloc conserve l'intégrité du bloc à partir duquel cet ensemble unitaire flasque-pales est fabriqué. Il sera en effet possible de n'appliquer alors une précontrainte axiale qu'entre l'autre flasque et ces mêmes pales. En 5 outre, on pourra alors tirer parti de la flexibilité relative des pales vers leur extrémité libre, là où les brasures ductiles sont à réaliser. Comme représenté en figure 1, un coude permet ici de raccorder entre eux les flasques 22,24 du diffuseur radial et les viroles annulaires respectivement externe 28 et interne 30 du diffuseur axial 14. Ces parois 10 arrondies permettent à l'air amené dans le diffuseur 12 de passer d'une circulation globalement radiale à une circulation globalement axiale, avant d'être guidé ainsi par les pales axiales 32 du diffuseur 14. Vers son extrémité radialement interne, le flasque aval 24 peut être raccordé à une ou plusieurs viroles annulaires aval, ici deux viroles 15 concentriques 44 et 46. Quant au flasque annulaire amont 22, il est pourvu d'une virole annulaire amont 48. Dans la réalisation présentée, cette virole annulaire amont 48 est située vers l'extrémité radialement interne du flasque 22 et est raccordée à lui par soudure. La virole amont 48 est équipée à son 20 extrémité libre d'une bride de fixation 50. A l'endroit de cette bride de fixation 50, sont fixées ensemble par boulonnage (repère 51 fig.1), le diffuseur radial 12, une bride intermédiaire 52 dite CoHP (très massive et protégée de la veine primaire et qui donc chauffe lentement) et un couvercle 54 de rouet 17.

25 Or, les hautes températures rencontrées en fonctionnement conduisent à un fort niveau de contrainte sur les brasures au niveau de la jonction des deux flasques 22,24, du côté tant de l'entrée (côté radialement interne, vers la zone 18) que de la sortie de gaz des pales 26. C'est en particulier afin de pallier le risque de criques dans les 30 brasures qui en découle, voire des conséquences encore plus dommageables, que le choix de fixation par brasure ductile des pales 26 3024887 8 aux flasques amont 22 et aval 24 (ou du moins à l'un d'entre eux) a été retenu. Ci-dessous sont rapidement présentés deux exemples d'alliage permettant une telle brasure : 5 - comme décrit dans EP 0104623, on peut utiliser un alliage de brasage comprenant entre 0,25 et 5% d'un métal réactif choisi dans le groupe comprenant le titane, le vanadium, le zirconium et les mélanges de ceux-ci, entre 25 et 85% en poids d'un métal précieux choisi dans le groupe comprenant l'or, le palladium et les mélanges de ceux-ci, entre 15 et 70% 10 en poids de cuivre en tant que troisième métal, éventuellement entre 2 et 15% en poids de chrome en tant que quatrième métal, et des impuretés fortuites, - ou, comme décrit dans EP 0185954, on peut utiliser des feuilles de brasure ductiles trempées rapidement avant une structure microcristalline à 15 base d'un alliage composé essentiellement de 6,5 à 8 en % poids de titane, jusqu'à 44 en % poids d'argent, le reste étant du cuivre. Et c'est pour la qualité mécanique de cette fixation flasque(s)/pales, que, comme illustré figure 2 et suivantes pour le côté amont de ces pales 26, au moins l'une des extrémités amont et aval desdites pales définit des 20 excroissances locales 260 sur les pales, ces excroissances traversant les ajours 34 et s'étendant en face opposée du ou des flasques. Quant à l'exigence d'assurer une maitrise optimisée de la hauteur de veine (H) parallèlement à l'axe 1, avec des pales 26 et flasque(s) 22 et/ou 24 plaqués ensemble au moins à l'un de ces côtés amont et aval desdites 25 pales, on y a satisfait en prévoyant que les extrémités des pales qui traversent les ajours 34 s'étendront au-delà de ces ajours et de la face opposée du ou des flasque(s) et que ces extrémités de pales seront retenues à l'encontre de leur retrait hors des ajours par les moyens d'assemblage mécaniques 56.

30 Les figures 3 et suivantes schématisent plusieurs solutions concernant cet assemblage mécanique, via les moyens 56.

3024887 9 Sur ces figures, les moyens d'assemblage 56 comprennent des pattes 57 engagées dans soit des orifices 59 (figures 6-8), soit des rainures 61 (figures 4,5) soit des encoches 63 (figures 9-10) formés à travers les extrémités des pales.

5 Sur ces figures, on voit que les orifices 59, rainures 61 et encoches 63 sont ménagés à ras de la surface amont 220 du flasque amont 22 de façon à plaquer axialement ensemble flasque(s) et pales, étant précisé qu'il est de préférence de même côté aval (surface aval du flasque aval), concernant alors la position relative entre les orifices, rainures et 10 encoches concernés et la surface aval 240 du flasque aval 24. Pour une portée favorable et une manipulation pratique, il est recommandé, dans les solutions des figures 3 à 8, que les pattes 57 soient engagées transversalement, et ici perpendiculairement, à la direction suivant laquelle les extrémités des pales 26 traversent les ajours 15 34. Là encore, ce qui est réalisé d'un côté (amont ou aval) est de préférence prévu des deux côtés. Dans les solutions des figures 9-11, les pattes 57 sont engagées de biais dans les encoches 63. En effet, dans ce cas, les pattes, qui sont courbées, par exemple en L, appartiennent à un anneau 570 le long 20 duquel lesdites pattes sont réparties, circonférentiellement. L'anneau 570, qui est fermé sur lui-même, est coaxial aux deux flasques amont et aval 22, 24. Autour de l'anneau 570, toutes les pattes sont courbées dans le même sens (voir figure 11). Et ces pattes font saillie à l'anneau parallèlement à l'axe 1.

25 D'autant plus à la vue des figures, on aura compris que, du côté considéré, l'engagement du crochet d'une des pattes 57 dans l'une des encoches 63 impliquera celle des autres pattes dans les autres encoches circonférentielles. Ceci simplifiera et sécurisera la mise en place.

30 On pourra d'ailleurs prévoir d'utiliser ensemble les deux catégories précitées de solutions, et en particulier l'anneau 570 à crochets pour les 3024887 10 pales situées (le plus) près de la circonférence intérieure 221,241 du/des flasques amont et/ou aval 22, 24, et la solution des orifices 59 ou rainures 61, pour les autres. Ainsi, on alliera au mieux efficacité, praticité et sécurité.

5 Il est entendu que les formes des orifices 59, rainures 61 et encoches 63 et celles des pattes 57 seront appariées, ces dernières devant s'y engager sans jeu notable, puisqu'il s'agit de bloquer serré les pales et flasque(s), en précontrainte axiale. Figures 4 et 5, une forme de patte en lamelle ou plaque, 572, 10 permet, avec une rainure 61 allongée en conséquence, parallèlement à la surface concernée du flasque contre laquelle appuie la patte, de n'avoir à engager qu'une patte par pale, par côté, avec un bon compromis entre un affaiblissement limité de la pale et un contact étendu pale/patte. Figures 6-8, les pattes se présentent comme des pions 574 engagés 15 côte à côte dans les orifices 59 fig.8). Dans l'exemple privilégié, on trouve, pour une excroissance locale 260, deux pions dans deux orifices 59 situés côte à côte sur la longueur de l'excroissance. Figure 6, les pions 574 sont deux pions individuels engagés chacun, pour ce groupe, dans l'un des deux orifices 59 de l'excroissance.

20 Figure 7, on retrouve les mêmes orifices, mais avec des pions réunis à une extrémité par une barrette 576 qui les solidarise ensemble. Ceci peut faciliter l'engagement des pions, la barrette permettant une action commune ici sur les deux pions. Pour la solidité d'ensemble, il est recommandé que le matériau des 25 pattes et des pales soit le même. Par un tel assemblage pale/flasque exclusivement mécanique, il va donc être aisément possible de contraindre, et même de pré-contraindre dès le montage d'origine, le(s) flasque(s) 22,24 axialement, en répartissant la contrainte sur de nombreuses zones du flasque (voir figure 2) donc sur 30 une large surface, l'association de tout ou partie des solutions technologiques présentées à cet égard avec la solution de brasure ductile 3024887 11 en sommet de pale et au niveau des pattes de fixation permettant d'assurer l'étanchéité, en complément. En outre, braser pale et flasque sur une face du flasque et engager la patte dans son orifice, sa rainure ou son encoche, sur l'autre face du 5 même flasque, évite de faire interférer les deux solutions qui demeurent bien complémentaires, de préférence. A titre justement complémentaire, on notera encore l'intérêt d'associer un tel diffuseur radial 12 au diffuseur axial 14 précité, voire d'appliquer tout ou partie de cette technique d'assemblage mécanique en 10 précontrainte et de brasures ductiles aux pales 32 et virole(s) 28, 30 du diffuseur axial.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Diffuseur radial (12) destiné à l'alimentation en air d'une chambre de combustion dans une turbomachine, le diffuseur radial comportant deux flasques annulaires (22, 24) reliés par des pales (26) qui sont fixées à l'un au moins desdits flasques par des alliages de brasage, caractérisé en ce que les alliages de brasage (33) sont ductiles.
2. 2. Diffuseur radial selon la revendication 1, dans lequel le ou chaque flasque annulaire (22, 24) auquel sont fixées les pales (26) comporte des ajours (34) que l'une au moins des extrémités des pales (26) traverse et où les alliages ductiles de brasage sont situés.
3. 3. Diffuseur radial selon la revendication 2 dans lequel les extrémités des pales qui traversent les ajours (34) définissent des excroissances (260) locales sur les pales.
4. 4. Diffuseur radial selon la revendication 2 ou 3, dans lequel les extrémités des pales (26) qui traversent les ajours (34) s'étendent au-delà des ajours et de la face opposée du ou de chaque flasque annulaire (22, 24) auquel sont fixées les pales (26), et ces extrémités de pales sont retenues à l'encontre de leur retrait hors des ajours par des moyens (56) d'assemblage mécaniques.
5. 5. Diffuseur radial selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel seul l'un des deux flasques annulaires (22, 24) est fixé aux pales (26) par les alliages de brasage ductiles, l'autre flasque annulaire (22, 24) et les pales (26) étant monoblocs.
6. 6. Diffuseur radial selon la revendication 4 ou les revendications 4 et 5, dans lequel les moyens d'assemblage mécaniques comprennent des pattes (57) engagées dans des orifices (59), des rainures (61) ou des encoches (63) formés à travers les extrémités des pales.
7. 7. Diffuseur radial selon la revendication 6, dans lequel les pattes (57) sont engagées transversalement à la direction suivant laquelle les extrémités 3024887 13 des pales traversent les ajours (34), ou les pattes sont engagées de biais dans les encoches (63).
8. 8. Diffuseur radial selon la revendication 6 ou 7, dans lequel les pattes (57) sont courbées, par exemple en L, et appartiennent à un anneau (570) qui 5 est coaxial aux flasques annulaires (22, 24) et le long duquel lesdites pattes sont réparties.
9. 9. Diffuseur radial selon la revendication 6 ou 7, dans lequel les pattes se présentent comme certains au moins parmi : - des pions (574) individuels engagés côte à côte, par groupes, dans les 10 orifices (59), - des pions (574) réunis par une barrette (576) et engagées individuellement côte à côte dans les orifices (59), et - des lamelles (572) engagées chacune dans une des rainures (61).
10. 10. Ensemble diffuseur (10) destiné à l'alimentation en air d'une chambre 15 de combustion dans une turbomachine, cet ensemble comprenant un diffuseur radial (12) et un diffuseur axial (14) agencé en sortie du diffuseur radial, caractérisé en ce que le diffuseur radial est conforme à celui selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
11. 11. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou turbopropulseur d'avion, 20 caractérisée en ce qu'elle comprend un diffuseur radial (12) selon l'une des revendications 1 à 9 ou un ensemble diffuseur (10) selon la revendication 10.