FR3027353A1

FR3027353A1 - Roue de turbomachine

Info

Publication number: FR3027353A1
Application number: FR1459880A
Authority: FR
Inventors: Jean-Francois Antoine Christian Rios
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2014-10-15
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2016-04-22
Anticipated expiration: 2034-10-15
Also published as: FR3027353B1

Abstract

Roue (10') pour une turbomachine, comprenant un disque aubagé monobloc (10) comportant une rangée annulaire d'aubes (14) qui s'étendent sensiblement radialement vers l'extérieur depuis ledit disque, et un anneau (18) qui s'étend autour desdites aubes, caractérisée en ce que chaque aube comprend une pale en deux parties, dont une première partie (14a) est solidaire du disque et dont une seconde partie (14b) est solidaire de l'anneau, lesdites première et seconde parties étant configurées pour coopérer ensemble afin qu'une rotation du disque aubagé monobloc entraîne une rotation de l'anneau.

Description

Roue de turbomachine DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne une roue de turbomachine, en particulier 5 d'aéronef, cette roue comportant un disque aubagé monobloc et un anneau entourant ce disque. 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 10 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 15 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 20 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 25 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. 30 La présente invention concerne une roue comportant un DAM entouré par un anneau qui s'étend autour des aubes du DAM, et propose un perfectionnement à la technique actuelle. EXPOSE DE L'INVENTION La présente invention propose ainsi une roue de turbomachine, comprenant un disque aubagé monobloc comportant une rangée annulaire d'aubes qui s'étendent sensiblement radialement vers l'extérieur depuis ledit disque, et un anneau qui s'étend autour desdites aubes, caractérisée en ce que chaque aube comprend une pale en deux parties, dont une première partie est solidaire du disque et dont une seconde partie est solidaire de l'anneau, lesdites première et seconde parties étant configurées pour coopérer ensemble afin qu'une rotation du disque aubagé monobloc entraîne une rotation de l'anneau. 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). Selon l'invention, les première et seconde parties de chaque pale sont configurées pour, en fonctionnement, former un ensemble monobloc (l'anneau étant destiné à être solidaire en rotation du DAM). A l'arrêt de la turbomachine, les parties de chaque pale peuvent être séparées l'une de l'autre par un faible jeu, en particulier en direction circonférentielle (par référence à l'axe longitudinal ou de rotation de la roue). Avantageusement, la seconde partie de chaque pale est configurée pour être logée dans un évidement de forme sensiblement complémentaire de l'extrémité radialement externe de la première partie de la pale. La seconde partie de chaque pale comprend de préférence une surface d'appui sur une surface complémentaire de l'extrémité radialement externe de la première partie de la pale.

La seconde partie de chaque pale peut s'étendre sur sensiblement toute la corde de la pale. La seconde partie de chaque pale peut définir une portion de l'intrados ou de l'extrados de la pale.

La seconde partie de chaque pale peut avoir une dimension radiale, par rapport à l'axe longitudinal de la roue, qui représente moins de 10%, et de préférence moins de 5%, de la dimension radiale de la pale. L'extrémité radialement externe de la première partie de chaque pale est de préférence située au voisinage immédiat dudit anneau. Elle est ainsi séparée de l'anneau par un jeu relativement faible. L'anneau comprend de préférence sur sa surface annulaire interne une rangée annulaire de cavités qui sont chacune en regard d'une extrémité radialement externe d'une première partie d'une pale et qui ont chacune une forme similaire à la forme en section de cette extrémité. 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 peut comprendre une ou plusieurs léchettes annulaires radialement externes. 3 02 73 5 3 4 La présente invention concerne également un compresseur de turbomachine, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une roue telle que décrite ci-dessus. Avantageusement, le compresseur comprend un carter entourant la roue et portant une couronne en matériau abradable s'étendant autour de l'anneau. 5 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 10 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 15 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 ; - la figure 2 est une demi-vue très schématique en coupe axiale d'une roue selon l'invention ; 20 - la figure 3 est une vue très schématique de face d'une roue selon l'invention ; - les figures 4a et 4b sont des vues schématiques en perspective d'une aube de la roue selon l'invention ; et - les figures 5a et 5b sont des vues très schématiques de dessus d'une extrémité radialement externe d'une aube de la roue selon l'invention. 25 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 moyeu 12 formé d'une seule pièce avec une rangée annulaire d'aubes 14 qui s'étendent sensiblement radialement vers l'extérieur depuis le 30 disque 14. Dans la technique antérieure illustrée par la figure 1, les extrémités radialement externes 16 ou têtes des aubes 14 sont libres. De façon connue, chaque aube 14 comprend une pale comportant un intrados et un extrados, dont les extrémités amont se rejoignent pour former un bord d'attaque et les extrémités aval se rejoignent pour former un bord de fuite (les termes amont et aval faisant référence à l'écoulement des gaz dans la turbomachine, à travers les aubes du DAM). Les figures 2 à 5b représentent un mode de réalisation de l'invention dans lequel le DAM 10 fait partie d'un roue 10' qui comprend en outre un anneau 18 qui entoure le DAM et qui s'étend donc autour des aubes 14. Selon l'invention, la pale de chaque aube 14 comprend deux parties 14a, 14b, une première partie 14a solidaire du DAM et une seconde partie 14b solidaire de l'anneau 18.

Dans l'exemple représenté, la seconde partie 14b n'est en fait qu'une partie relativement petite de la pale de l'aube. La première partie 14a s'étend sur toute la dimension radiale de l'aube 14 et a son extrémité radialement externe 14aa qui est située au voisinage immédiat de la surface annulaire radialement interne 18a de l'anneau 18. Autrement dit, l'extrémité radialement externe 14aa de chaque aube est séparée par un faible jeu radial de (voir est alignée avec) la surface annulaire radialement interne 18a de l'anneau 18. Comme cela est visible aux figures 3, 5a et 5b, l'anneau 18 comprend, sur sa surface 18a, une rangée annulaire de cavités 20 qui sont chacune situées en regard d'une extrémité 14aa d'une aube et qui ont de plus une forme générale similaire à la forme en section de cette extrémité 14aa. Les cavités 20 ont de préférence une de leurs surfaces dans le prolongement de la surface 36 de la partie 14b afin que le contact en fonctionnement entre les parties 14a, 14b ne soit pas gêné si la partie 14a pénètre dans la cavité 20. Les figures 5a et 5b montrent que les dimensions de chaque cavité 20 sont légèrement supérieures à celles de l'extrémité 14aa correspondante. Ainsi, chaque cavité 20 a une dimension transversale el légèrement supérieure à celle de l'épaisseur transversale de l'extrémité 14aa, et une dimension longitudinale e2 légèrement supérieure à celle de la corde de cette extrémité 14aa. Les extrémités 14aa pourraient être engagées dans les cavités. L'extrémité 14aa de la première partie 14a de chaque aube comprend un évidement 22, ici du côté de l'intrados de l'aube. Cet évidement 22 s'étend sur sensiblement toute la corde ou dimension longitudinale de l'aube, c'est-à-dire de son bord d'attaque 24 jusqu'à son bord de fuite 26. L'évidement 22 s'étend en outre sur une faible distance hl en direction radiale c'est-à-dire sur une faible distance par rapport à la hauteur ou dimension radiale h2 de l'aube. Dans l'exemple représenté, l'évidement s'étend, depuis l'extrémité 14aa, sur moins de 10%, et de préférence moins de 5%, de la hauteur h2 de l'aube. L'évidement 22 de chaque première partie 14a peut être défini par une première surface 28 sensiblement radiale et incurvée, qui s'étend sensiblement parallèlement à l'extrados de l'aube, et par une seconde surface 30 sensiblement plane, qui s'étend sensiblement parallèlement à la surface 32 de l'extrémité 14aa, située en regard de la surface 18a de l'anneau 18. La seconde partie 14b de chaque pale a une forme complémentaire de l'évidement 22 de sorte qu'elle puisse être engagée dans cet évidement et que, en position d'engagement, représentée en figure 5b, les première et seconde parties 14a, 14b de la pale coopèrent ensemble et soient assimilées à une pale monobloc. La seconde partie 14b s'étend sur sensiblement toute la corde ou dimension longitudinale de l'aube, c'est-à-dire de son bord d'attaque 24 jusqu'à son bord de fuite 26. Elle s'étend en outre sur une faible distance hl en direction radiale c'est-à-dire sur une faible distance par rapport à la hauteur ou dimension radiale h2 de l'aube. Dans l'exemple représenté, la seconde partie 14b s'étend, depuis l'extrémité 14aa, sur moins de 10%, et de préférence moins de 5%, de la hauteur de l'aube. La seconde partie 14b de chaque pale comprend notamment une surface latérale 34 incurvée, ici concave, qui définit une portion de l'intrados de la pale, et une surface latérale 36 incurvée opposée, ici convexe, qui est destinée en fonctionnement à prendre appui sur la surface 28 précitée de la première partie 14a. En fonctionnement, la surface 34 de la seconde partie 14b est destinée à être alignée avec la surface de la première partie 14a définissant l'intrados de la pale.

Dans l'exemple représenté, l'anneau 18 est en matériau composite et comprend une enveloppe annulaire 40 dans laquelle est intégré un insert 42. Dans le cas préférentiel où l'enveloppe 40 est métallique, et est par exemple en titane ou en inconel, l'enveloppe 40 peut être reliée aux secondes parties 14b des pales des aubes 14 par soudage ou brasage. Des cordons de soudure s'étendent alors entre l'anneau 18 et les secondes parties 14b. L'insert 42 a ici une forme annulaire et est entièrement recouvert par des parois de l'enveloppe 40. L'insert 42 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 40 précitée. Cette feuille et donc les parois de l'enveloppe 40 ont de préférence une faible épaisseur. De préférence, l'anneau 18 porte à sa périphérie externe des léchettes annulaires 44 destinées à coopérer avec une couronne 46 en matériau abradable portée par un carter 48 de turbomachine. Il peut par exemple s'agir d'un carter 48 d'un compresseur haute pression de la turbomachine. Le carter 48 comprend ici un renfoncement annulaire 50 dans laquelle s'étend avec jeux 52 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 50 10 comprend une gorge annulaire 54 dans laquelle est montée la couronne 46. A l'arrêt de la turbomachine, la roue est immobile et, comme cela est visible aux figures 3, 4a, 4b et 5a, les premières et secondes parties 14a, 14b des pales peuvent être à distance les unes des autres et être séparées par des jeux circonférentiels J. En fonctionnement, le DAM est déplacé en rotation selon la flèche F de la figure 15 3. Les premières parties 14a des pales sont alors rapprochées des secondes parties 14b des pales, qui s'engagent dans les évidements 22 des premières parties et dont les surfaces 28 des premières parties 14a viennent en appui circonférentiel sur les surfaces 36 des secondes parties 14b (figure 5b). Ces déplacements sont facilités par les cavités 20 de l'anneau 18 qui empêchent des frottements entre les premières parties 14a des 20 pales et l'anneau 18. Le DAM entraîne alors en rotation l'anneau 18 selon la flèche, le DAM et l'anneau tournant ensemble et formant une roue unitaire. En fonctionnement, les fuites d'air entre la périphérie de la roue et le carter 48 sont limitées car cet air doit circuler dans l'espace de section restreinte défini par les jeux 52 et qui a une longueur ou dimension axiale, correspondant à la longueur ou 25 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 30 inconel - cf. colonnes DAM 1 à 4). titane inconel 35% SiC 65% titane DAM1 DAM2 DAM3 DAM4 DAM5 sigma max 75 71 86 85 110 (hb) rho (kg/m3) 4650 4650 8200 8200 4107.5 V limite (issue 401.6 390.8 323.8 322.0 517.5 de sigma max) omega RL 25000 25000 25000 25000 25000 (t/m) rayon max 0.153 0.149 0.124 0.123 0.198 anneau (m) 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 42, 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.10

Claims

REVENDICATIONS1. Roue (10') pour une turbomachine, comprenant un disque aubagé monobloc (10) comportant une rangée annulaire d'aubes (14) qui s'étendent sensiblement radialement vers l'extérieur depuis ledit disque, et un anneau (18) qui s'étend autour desdites aubes, caractérisée en ce que chaque aube comprend une pale en deux parties, dont une première partie (14a) est solidaire du disque et dont une seconde partie (14b) est solidaire de l'anneau, lesdites première et seconde parties étant configurées pour coopérer ensemble afin qu'une rotation du disque aubagé monobloc entraîne une rotation de l'anneau.
2. Roue (10') selon la revendication 1, dans laquelle la seconde partie (14b) de chaque pale est configurée pour être logée dans un évidement (22) de forme sensiblement complémentaire de l'extrémité radialement externe (14aa) de la première partie (14a) de la pale.
3. Roue (10') selon la revendication 2, dans laquelle la seconde partie (14b) de chaque pale comprend une surface (36) d'appui sur une surface (28) complémentaire de l'extrémité radialement externe (14aa) de la première partie (14a) de la pale.
4. Roue (10') selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle la seconde partie (14b) de chaque pale s'étend sur sensiblement toute la corde de la pale.
5. Roue (10') selon l'une des revendications 2 à 4, dans laquelle la seconde partie (14b) de chaque pale définit une portion de l'intrados ou de l'extrados de la pale.
6. Roue (10') selon l'une des revendications 2 à 5, dans laquelle la seconde partie (14b) de chaque pale a une dimension radiale (h1), par rapport à l'axe longitudinal de la roue (10'), qui représente moins de 10%, et de préférence moins de 5%, de la dimension radiale (h2) de la pale.
7. Roue (10') selon l'une des revendications 2 à 6, dans laquelle l'extrémité radialement externe (14aa) de la première partie (14a) de chaque pale est située au voisinage immédiat dudit anneau (18).
8. Roue (10') selon la revendication 7, dans laquelle l'anneau (18) comprend sur sa surface annulaire interne (18a) une rangée annulaire de cavités (20) qui sont chacune en regard d'une extrémité radialement externe (14aa) d'une première partie (14a) d'une pale et qui ont chacune une forme similaire à la forme en section de cette extrémité.
9. Roue (10') selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'anneau (18) comprend une ou plusieurs léchettes annulaires (44) radialement externes.
10. Compresseur de turbomachine, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une roue (10') selon l'une des revendications précédentes.5