FR3025562B1 - Disque aubage monobloc pour une turbomachine - Google Patents

Abstract

Disque aubagé monobloc (10') pour une turbomachine, comprenant un disque (12) formé d'une seule pièce avec une rangée annulaire d'aubes (14) qui s'étendent sensiblement radialement vers l'extérieur depuis ledit disque, caractérisé en ce que les aubes sont entourées par un anneau (18) qui est relié aux extrémités radialement externes des aubes.

Description

Disque aubagé monobloc pour une turbomachine

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne un disque aubagé monobloc pour une turbomachine.

ETAT DE L’ART

Une turbomachine peut comprendre un ou plusieurs disques aubagés monoblocs. C’est notamment le cas d’un compresseur, par exemple haute pression, de la turbomachine, qui peut comprendre un ou plusieurs disques aubagés monoblocs

De façon connue, un disque aubagé monobloc comprend un disque ou moyeu formé d’une seule pièce avec une rangée annulaire d’aubes qui s’étendent sensiblement radialement vers l’extérieur depuis ledit disque. La présente invention ne concerne ainsi pas des disques portant des aubes qui sont montées les unes après les autres sur le disque par emmanchement de leurs pieds dans des rainures de forme complémentaire de la périphérie du disque.

Dans la présente demande, l’abréviation DAM est utilisée pour désigner un disque aubagé monobloc.

Dans la technique actuelle, les extrémités radialement externes, aussi appelées têtes, des aubes d’un DAM sont libres et sont entourées par un carter du compresseur. Les jeux radiaux entre les extrémités radialement externes des aubes et le carter doivent être minimisés pour limiter les fuites d’air à travers ces jeux et ainsi optimiser les performances de la turbomachine.

Dans le cadre de l’augmentation du taux de dilution des turbomachines, les architectures moteur conduisent à des compresseurs haute pression de plus en plus petits pour lesquels le contrôle des jeux en tête des aubes devient de plus en plus difficile.

La présente invention propose notamment une solution pour minimiser les jeux radiaux entre un DAM et le carter entourant ce DAM.

EXPOSE DE L’INVENTION

La présente invention propose ainsi un disque aubagé monobloc pour une turbomachine, comprenant un disque formé d’une seule pièce avec une rangée annulaire d’aubes qui s’étendent sensiblement radialement vers l’extérieur depuis ledit disque, caractérisé en ce que les aubes sont entourées par un anneau qui est relié aux extrémités radialement externes des aubes.

Selon l’invention, en plus des caractéristiques d’un DAM de la technique antérieure, le DAM selon l’invention comprend un anneau qui entoure les aubes et qui est solidaire de celles-ci. L’anneau est ainsi formé d’une seule pièce avec le disque et les aubes du DAM. L’anneau est ainsi solidaire en rotation des aubes et du disque et fait partie du rotor auquel appartient le DAM. L’invention permet notamment de réduire les fuites d’air entre la périphérie externe du DAM et le carter qui l’entoure. En effet, dans la technique antérieure, de l’air peut facilement circuler de l’intrados vers l’extrados de chaque aube, à travers le jeu radial entre la tête de cette aube et le carter, car la distance à parcourir par l’air, qui correspond à l’épaisseur de la tête d’aube, est relativement faible (par exemple de l’ordre du millimètre). Au contraire, dans la présente invention, les fuites d’air sont moins importantes car l’air doit passer dans une section resserrée entre l’anneau et le carter, sur une distance beaucoup plus importante correspondant sensiblement à la dimension longitudinale de l’anneau (qui est par exemple de l’ordre de plusieurs dizaines de millimètres).

De préférence, l’anneau ne doit pas générer de surépaisseur dans les aubes donc pas ou peu de contraintes en traction. Il ne doit pas non plus générer de trop fortes contraintes de compression qui pourrait déclencher un flambage des aubes à certains régimes.

Avantageusement, l’anneau est réalisé en matériau composite. Il peut comprendre une enveloppe annulaire dans laquelle est intégré un insert. L’enveloppe peut être métallique, et est par exemple en titane ou en alliage, à base de nickel et cobalt par exemple (tel que de l’inconel). L’insert est de préférence en carbure de silicium. L’insert peut être réalisé à partir de fibres enroulées de carbure de silicium.

Au niveau de la fabrication, les fibres de carbure de silicium sont de préférence enroulées sans rupture sur un support, tel que l’enveloppe, et l’enveloppe doit avoir une épaisseur minimale de façon à ne pas surdimensionner l’anneau composite. Il s’agit en effet de ne pas pénaliser le compresseur en termes de masse.

Cette technique permet notamment de gagner de la masse. Elle peut toutefois se heurter à des difficultés car le disque doit pouvoir démontrer son intégrité en cas de survitesse. Cependant, ici, il ne s’agit pas d’un insert ayant pour but de maintenir les aubes. Son rôle ne consiste qu’à assurer l’étanchéité dans la veine, les exigences en matière de tenue mécanique étant donc inférieures.

Les avantages liés à l’utilisation d’un anneau en matériau composite seront décrits plus en détail dans ce qui suit. L’anneau est de préférence relié aux aubes par soudage, en particulier par friction ou tout autre procédé adapté à la géométrie des têtes des aubes. L’anneau peut comprendre une ou plusieurs léchettes annulaires radialement externes.

La présente invention concerne également un compresseur de turbomachine, caractérisé en ce qu’il comporte au moins un disque aubagé monobloc tel que décrit ci-dessus.

Avantageusement, le compresseur comprend un carter entourant le disque aubagé monobloc et portant une couronne en matériau abradable s’étendant autour de l’anneau.

Ce concept permet d’améliorer le rendement d’un étage de turbomachine dans la mesure où les pertes par recirculation dans un système de type léchettes et couronne abradable sont environ la moitié des pertes dans les jeux en têtes des aubes d’un DAM classique. Si on l’applique à des compresseurs de petite taille, ce gain devient très significatif. Ce système permet aussi de gagner en marge au pompage et en durée de vie car les jeux en têtes d’aubes augmentent sur moteur vieilli et consomment de la marge.

DESCRIPTION DES FIGURES L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en perspective d’un DAM de la technique antérieure ; et - la figure 2 est une demi-vue très schématique en coupe axiale d’un DAM selon l’invention.

DESCRIPTION DETAILLEE

On se réfère d’abord à la figure 1 qui représente un disque aubagé monobloc ou DAM 10 de la technique antérieure.

Le DAM 10 comprend un disque 12 ou moyeu formé d’une seule pièce avec une rangée annulaire d’aubes 14 qui s’étendent sensiblement radialement vers l’extérieur depuis le disque 14.

Dans la technique antérieure illustrée par la figure 1, les extrémités radialement externes 16 ou têtes des aubes 14 sont libres.

La figure 2 représente un mode de réalisation de l’invention dans lequel le DAM 10’ comprend en outre un anneau 18 qui entoure les aubes 16 et qui est relié aux extrémités 16 de ces aubes.

Dans l’exemple représenté, l’anneau 18 est en matériau composite et comprend une enveloppe annulaire 20 dans laquelle est intégré un insert 22.

Dans le cas préférentiel où l’enveloppe 20 est métallique, et est par exemple en titane ou en inconel, l’enveloppe 20 est reliée aux extrémités 16 des aubes 14 par soudage, par exemple par friction. Des cordons de soudure s’étendent alors entre l’anneau 18 et les aubes 14, le long de leurs extrémités 16. L’insert 22 a ici une forme annulaire et est entièrement recouvert par des parois de l’enveloppe 20. L’insert 22 est avantageusement formé par enroulement de fibres, de préférence de carbure de silicium, sur une feuille métallique qui est ensuite conformée pour définir l’enveloppe 20 précitée. Cette feuille et donc les parois de l’enveloppe 20 ont de préférence une faible épaisseur.

De préférence, l’anneau 18 porte à sa périphérie externe des léchettes annulaires 24 destinées à coopérer avec une couronne 26 en matériau abradable portée par un carter 28 de turbomachine. Il peut par exemple s’agir d’un carter 28 d’un compresseur haute pression de la turbomachine.

Le carter 28 comprend ici un renfoncement annulaire 30 dans laquelle s’étend avec jeux 32 l’anneau 18, de façon à ce que la face annulaire interne de l’anneau 18 soit sensiblement alignée avec celle du carter. Le fond de ce renfoncement annulaire 30 comprend une gorge annulaire 34 dans laquelle est montée la couronne 26.

En fonctionnement, les fuites d’air entre la périphérie du DAM 10’ et le carter 28 sont limitées car cet air doit circuler dans l’espace de section restreinte défini par les jeux 32 et qui a une longueur ou dimension axiale, correspondant à la longueur ou dimension axiale de l’anneau 18, relativement importante.

Les données dans le tableau suivant qui s’apparentent à des données issues d’un compresseur haute pression de petite taille permettent de démontrer les avantages de l’utilisation d’un anneau 18 en matériau composite (ici 35%Sic et 65%titane - cf. dernière colonne DAM 5) par rapport à des anneaux entièrement métalliques (titane et inconel - cf. colonnes DAM 1 à 4).

Dans le tableau ci-dessus, on constate que le rayon maximum de l’anneau 18 permettant d’avoir un niveau de contraintes tangentielles inférieur à la limite du matériau augmente fortement avec la présence de l’insert composite. Il devient compatible avec la plupart des compresseurs haute pression. Cette augmentation est due à la contrainte maximum (sigma max) de l’insert 22, qui est supérieure à la contrainte maximum des matériaux métalliques et à la densité (rho) du matériau composite qui est inférieure à celles des métaux comparés ici, c'est-à-dire le titane et l’inconel.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Disque aubagé monobloc (10’) pour une turbomachsne, comprenant un disque (12) formé d’une seuie pièce avec une rangée annulaire d’aubes (14) qui s’étendent sensiblement radialement vers l’extérieur depuis ledit disque, caractérisé en ce que les aubes sont entourées par un anneau (18) qui est fixé aux extrémités radialement externes des aubes.
2. 2. Disque aubagé monobioc (10’) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’anneau (18) est réalisé en matériau composite.
3. 3. Disque aubagé monobioc (10’) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l’anneau (18) comprend une enveloppe annulaire (20) dans laquelle est intégré un insert (22).
4. 4. Disque aubagé monobioc (10’) selon la revendication 3, caractérisé en ce que l’enveloppe (20) est métallique, et est par exemple en titane ou en alliage, par exemple à base de cobalt et nickel.
5. 5. Disque aubagé monobioc (10’) selon la revendication 3 ou 4. caractérisé en ce que l’insert (22) est en carbure de silicium.
6. 6. Disque aubagé monobloc (10’) selon la revendication 5, caractérisé en ce que l’insert (22) est réalisé à partir de fibres enroulées de carbure de silicium.
7. 7. Disque aubagé monobioc (10’) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’anneau (18) est relié aux aubes (18) par soudage, en particulier par friction.
8. 8. Disque aubagé monobloc (10’) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’anneau (18) comprend une ou plusieurs lécbettes annulaires (24) radialement externes.
9. 9. Compresseur de turbomachine, caractérisé en ce qu’il comporte au moins un disque aubagé monobloc (10’) selon l'une des revendications précédentes.
10. 10. Compresseur selon la revendication 9, caractérisé en ce qu’il comprend un carter entourant le disque aubagé monobloc (10’) et portant une couronne (28) en matériau abradable s’étendant autour de l’anneau (18).