FR3060050A1 - Roue a aubes comprenant des moyens d'amortissement et un procede de revetement d'une roue a aubes - Google Patents

Roue a aubes comprenant des moyens d'amortissement et un procede de revetement d'une roue a aubes Download PDF

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Abstract

L'invention concerne une roue à aubes (1) comprenant un disque (2) d'axe de rotation (C) et une pluralité d'aubes solidaires du disque (2), ledit disque (2) étant réalisé dans un premier matériau métallique et comprenant des moyens d'amortissement des vibrations, lesdits moyens d'amortissement comprenant au moins un revêtement (7) disposé par projection thermique sur une zone annulaire (9) du disque (2), le revêtement (7) étant réalisé dans un deuxième matériau métallique différent du premier matériau de manière à permettre un déplacement entre les premier et deuxième matériaux pour amortir les vibrations.

Description

© N° de publication : 3 060 050 (à n’utiliser que pour les commandes de reproduction)
©) N° d’enregistrement national : 16 62464 ® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE
COURBEVOIE © Int Cl8 : F 01 D 5/10 (2017.01), C 23 C 4/073, 4/129, 4/134
DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1
©) Date de dépôt : 14.12.16. ©) Priorité : © Demandeur(s) : SAFRAN HELICOPTER ENGINES — FR.
@ Inventeur(s) : MEZIERE LUDOVIC.
©) Date de mise à la disposition du public de la demande : 15.06.18 Bulletin 18/24.
©) Liste des documents cités dans le rapport de recherche préliminaire : Se reporter à la fin du présent fascicule
(© Références à d’autres documents nationaux apparentés : ® Titulaire(s) : SAFRAN HELICOPTER ENGINES.
©) Demande(s) d’extension : ©) Mandataire(s) : GEVERS & ORES Société anonyme.
ROUE A AUBES COMPRENANT DES MOYENS D'AMORTISSEMENT ET UN PROCEDE DE REVETEMENT D'UNE ROUE A AUBES.
FR 3 060 050 - A1
L'invention concerne une roue à aubes (1) comprenant un disque (2) d'axe de rotation (C) et une pluralité d'aubes solidaires du disque (2), ledit disque (2) étant réalisé dans un premier matériau métallique et comprenant des moyens d'amortissement des vibrations, lesdits moyens d'amortissement comprenant au moins un revêtement (7) disposé par projection thermique sur une zone annulaire (9) du disque (2), le revêtement (7) étant réalisé dans un deuxième matériau métallique différent du premier matériau de manière à permettre un déplacement entre les premier et deuxième matériaux pour amortir les vibrations.
i
Roue à aubes comprenant des moyens d’amortissement et un procédé de revêtement d’une roue à aubes
1. Domaine de l’invention
La présente invention concerne le domaine des roues à aubes, notamment des roues à aubes des turbomachines terrestres ou aéronautiques. Elle vise en particulier, mais non exclusivement, les roues à aubes de compresseurs ou de turbines. L’invention concerne également un procédé de revêtement d’une roue à aubes.
2. Etat de la technique
Les turbomachines aéronautiques sont équipées de nombreuses roues à aubes mobiles et fixes formant des compresseurs ou des turbines. Les roues à aubes mobiles comportent chacune un disque d’axe de rotation et une pluralité d’aubes solidaires de celui-ci. Chaque aube comprend une pale. Ces roues à aubes entraînées à des vitesses élevées sont soumises à d’importantes vibrations lors du fonctionnement de la turbomachine. Ces vibrations peuvent entraîner une fatigue mécanique affectant l’opérabilité de ces roues à aubes, voire une rupture des éléments de celles-ci. La fatigue mécanique intervient par exemple lorsque la fréquence des vibrations est égale à une fréquence de résonance de la roue à aubes ou de ses pales. Les roues à aubes dont les aubes et le disque sont monoblocs subissent davantage ces vibrations. En effet, l’assemblage aube/disque crée un faible amortissement dû aux frottements entre les deux éléments pour dissiper l’énergie vibratoire. Dans le cas de roues monoblocs, la seule capacité de dissipation énergétique interne est donnée par le matériau de la roue à aubes.
Pour amortir ces vibrations, il est connu d’utiliser des éléments rapportés absorbant les vibrations tels qu’un élastomère, des pièces rapportées telles que des rivets et/ou des aménagements géométriques dans la roue. Cependant, ces solutions engendrent de la friction qui implique une usure par frottement. Cette usure génère des débris de matériaux qui polluent l’environnement de cette roue avec des risques de pollution du système d’air secondaire de la turbomachine qui peuvent être néfastes pour son fonctionnement. Par ailleurs, ces éléments rapportés ou ces aménagements géométriques ont ainsi des caractéristiques d’amortissement variables dans le temps qui nécessitent une surveillance et des moyens de rénovation délicats et complexes à mettre en œuvre pour les composants en service. Quant aux matériaux absorbants, leur vieillissement et/ou leur tenue aux agents environnementaux extérieurs n’est/ne sont pas garanti(es) sur de longue durée.
II est également connu de créer une rupture de la symétrie cyclique de la roue à aubes : à défaut d’éviter totalement une résonance dans tout le domaine de fonctionnement, les modes doubles classiques des structures à symétrie cyclique sont alors séparés en fréquence. Les phénomènes de propagation d’ondes ne peuvent pas s’établir et deviennent difficilement appropriables avec des excitations périodiques. Des mécanismes de localisation de l’énergie dans des secteurs particuliers de la structure ne peuvent être toutefois totalement exclus, engendrant potentiellement des niveaux de réponse vibratoire supérieurs à ceux d’une solution cyclique accordée (fréquence double).
A cela s’ajoute également le fait qu’il est rarement possible d’aménager simplement le moyen amortisseur à l’endroit où il serait le plus efficace, c’est-à-dire dans les zones où les amplitudes de vibrations sont les plus grandes.
3. Objectif de l’invention
La présente invention a notamment pour objectif de permettre un amortissement des vibrations dans une roue à aubes sans créer une usure de celle-ci.
4. Exposé de l’invention
On parvient à réaliser cet objectif, conformément à l’invention grâce à une roue à aubes comprenant un disque d’axe de rotation et une pluralité d’aubes solidaires du disque, le disque étant réalisé dans un premier matériau métallique et comprenant des moyens d’amortissement de vibrations, les moyens d’amortissement de vibrations comprenant au moins un revêtement disposé par projection thermique sur une zone annulaire du disque, le revêtement étant réalisé dans un deuxième matériau métallique différent du premier matériau de manière à permettre un déplacement interne entre les premier et deuxième matériaux pour amortir les vibrations.
Ainsi, cette solution permet d’atteindre l’objectif susmentionné. Grâce à ce revêtement réalisé dans un matériau différent de celui de la roue à aubes par la projection thermique on obtient un amortissement qui ne crée pas d’usure de la roue à aubes et donc pas de débris dans l’enceinte de la turbomachine dans laquelle est agencée cette roue à aubes. Le niveau d’amortissement peut être divisé par cinq. Les comportements mécaniques respectifs de chacun des matériaux et de leurs modes d’élaboration permettent un déplacement interne relatif à l’interface entre les deux matériaux, et en particulier un microdéplacement entre les matériaux qui engendre une dissipation énergétique interne. A noter que cette configuration est également un moyen de limiter, voire de supprimer la propagation des ondes dans la roue à aubes ce qui contribue également à renforcer la diminution des amplitudes de vibrations qui fatiguent la roue à aubes.
Outre l’effet d’amortissement interne, le dépôt sur la zone annulaire peut avoir des épaisseurs périodiques azimutalement ou sectoriellement de manière à forcer un motif de symétrie cyclique sur la roue à aubes et diminuer ainsi sa sensibilité à s’approprier sur une excitation périodique particulière.
En particulier, le déplacement est un micro-déplacement.
Selon une caractéristique de l’invention, la projection thermique est réalisée par HVOF, plasma ou plasma air de sorte à obtenir un dépôt de revêtement avec une meilleure résistance mécanique et une adhérence suffisante entre deux matériaux différents.
Selon encore une autre caractéristique de l’invention, la zone annulaire est située en périphérie d’une première surface du disque de manière à apporter de l’amortissement précisément dans les zones recherchées.
Suivant une caractéristique de l’invention, le revêtement présente une forme annulaire continue ou discontinue.
De manière avantageuse, mais non limitativement, le premier matériau comprend un acier ou un alliage à base titane ou nickel de sorte que la roue à aubes supporte des températures élevées.
De manière avantageuse, mais non limitativement, le deuxième matériau comprend un alliage de nickel.
De manière avantageuse, mais non limitativement, le deuxième matériau comprend un alliage de base nickel du type MCrAlY avec M un élément métallique comprenant au moins du nickel. Le deuxième matériau peut comprendre un alliage de type NiCoCrAlYT.
Suivant une caractéristique de l’invention, le disque et les aubes sont monoblocs. En d’autres termes, ils sont formés intégralement.
L’invention concerne également un compresseur de turbomachine comprenant une roue à aubes comportant l’une quelconque des caractéristiques susmentionnées.
L’invention pourrait également concerner une turbine de turbomachine comprenant une roue à aubes comportant l’une quelconque des caractéristiques susmentionnées.
L’invention concerne encore un procédé de revêtement comprenant un disque d’axe de rotation, une pluralité d’aubes solidaires du disque et réalisée au moins dans un premier matériau métallique, le procédé comprenant le dépôt d’un revêtement réalisé dans un deuxième matériau métallique différent du premier matériau par projection thermique sur une zone annulaire au voisinage d’une bordure périphérique du disque de manière à permettre un déplacement interne entre les premier et deuxième matériaux pour amortir les vibrations.
Selon ce procédé, la projection thermique est réalisée par HVOF, plasma ou plasma air.
Un tel procédé thermique permet d’assurer un dépôt de matière dans un deuxième matériau différent du premier matériau dans lequel est réalisée la roue à aubes et dont les propriétés mécaniques sont différentes de celles du deuxième matériau.
5. Brève description des figures
L’invention sera mieux comprise, et d’autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description explicative détaillée qui va suivre, de modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés.
Sur ces dessins :
La figure 1 est une représentation schématique d’une turbomachine suivant une coupe axiale selon l’invention ;
La figure 2 représente schématiquement une coupe axiale partielle d’une roue à aubes équipant un compresseur axial selon l’invention ;
La figure 3 illustre de manière schématique et partielle et selon une coupe axiale une roue à aubes équipant un compresseur centrifuge selon l’invention ; et,
La figure 4 illustre de manière schématique un disque de roue à aubes sur lequel est agencé un revêtement permettant un amortissement des vibrations selon l’invention ;
6. Description de modes de réalisation de l’invention
Sur la figure 1 est illustrée une turbomachine 20 telle qu’un turbomoteur. Bien entendu, l’invention peut s’appliquer à d’autres types de turbomachine.
La turbomachine comprend un générateur de gaz 21 d’axe longitudinal X. Ce générateur de gaz 21 comprend d’amont en aval, un compresseur axial 22, un compresseur centrifuge 23, une chambre de combustion 24, une turbine principale 25 et une turbine auxiliaire 26. Les termes « amont » et « aval » sont définis en fonction de la circulation des gaz dans la turbomachine. Le compresseur centrifuge 23 est relié à la turbine principale 25 qui entraîne celui-ci via un premier arbre 27. Le compresseur axial 22 est relié à la turbine auxiliaire 26 via un deuxième arbre 28. Ce dernier est coaxial au premier arbre 27. Dans le présent exemple, la turbine principale 25 est une turbine haute pression et la turbine auxiliaire 26 est une turbine libre, basse pression. Une soufflante 29 est également agencée en amont du compresseur axial 22. La soufflante 29 est reliée à la turbine auxiliaire 26.
En fonctionnement, le flux d’air frais entrant dans la turbomachine 20 est séparé par un flux primaire circulant dans le générateur de gaz 21 et un flux secondaire éjecté directement dans l’atmosphère pour participer à la propulsion de la turbomachine. Le flux primaire en sortie de la soufflante 29 subit des compressions successives dans le compresseur axial 22 et dans le compresseur centrifuge 23. L’air comprimé est ensuite mélangé à du carburant et brûlé dans la chambre de combustion 24 pour fournir un gaz entraînant la turbine auxiliaire 26. Cette dernière entraîne la soufflante 29 via le deuxième arbre 28. Ici, le deuxième arbre est un arbre basse pression et le premier arbre est un arbre haute pression.
En référence à la figure 2, le compresseur axial 22 comprend plusieurs étages de compression axialement suivant l’axe X. En particulier, le compresseur axial 22 est équipé d’une roue à aubes 1 telle que représentée sur la figure 4 qui sera décrite plus loin dans la description. La roue à aubes comporte un disque 2 et une pluralité d’aubes 6 mobiles solidaires du disque 2. Les aubes 6 s’étendent radialement vers l’extérieur depuis une bordure périphérique du disque 2. Le compresseur axial 22 comprend également des aubes 8 fixes ou aubes de stator qui sont solidaires d’un carter 30 sensiblement cylindrique. Le compresseur axial 22 et ses aubes 6, 8 sont délimités radialement par ce carter 30. Le disque 2 comprend une jante annulaire 28 portant le pied des aubes 6. Dans le présent exemple, les aubes 6 mobiles sont formées d’un seul tenant avec le disque 2 de la roue à aubes 1. De telles roues à aubes sont connues par le terme « DAM >> ou « Blisk >> en anglais pour Disque Aubagé Monobloc.
Sur la figure 3 est illustré partiellement et plus précisément en coupe axiale le compresseur centrifuge 23. Le compresseur 23 est également équipé d’une roue à aubes 1. La roue à aubes 1 comprend un disque 2 avec une première face 3 telle que représentée sur la figure 4 et une deuxième surface opposée axialement. La roue à aubes comprend également une pluralité d’aubes 6’ solidaires du disque 2. Les aubes 6’ s’étendent radialement vers l’extérieur depuis la deuxième face aval et sont régulièrement réparties autour du disque 2. Ces aubes 6‘ sont délimitées radialement par un couvercle 31. Ce dernier présente une section de forme sensiblement hyperbolique. Comme on peut le voir sur cette figure, le flux d’air F qui s’écoule dans le compresseur centrifuge entre dans la roue à aubes et est dirigé dans un diffuseur radial 32. Le flux d’air circule ensuite dans un diffuseur axial 33 raccordé au diffuseur radial 32 pour être éjecté vers la chambre du combustion. Dans le présent exemple, la roue à aubes est un Disque Aubagé Monobloc.
En référence à la figure 4, la roue à aubes 1 comprend un disque 2 d’axe de rotation C destiné à être entraîné en rotation par un arbre de la turbomachine 20. Ici, l’axe C est coaxial à l’axe X de la turbomachine 20. Le disque 2 présente une première surface 3, ici aval et une deuxième surface ici amont (non représentée) qui sont opposées axialement. La première surface 3 et la deuxième surface s’étendent radialement depuis l’axe de rotation C. Celles-ci sont également reliées par une bordure périphérique 5. Une pluralité d’aubes non représentées sur cette figure, car ne faisant pas l’objet de la présente invention, sont solidaires du disque 2. La roue à aubes 1 est réalisée dans un premier matériau métallique. Un tel matériau métallique est par exemple un acier ou un alliage métallique à base de titane ou de nickel, qui permet de supporter des températures élevées.
Afin de pourvoir amortir les vibrations générées lors du fonctionnement de la turbomachine, et en particulier, de la rotation de la roue à aubes 1, cette dernière comprend un revêtement 7 réalisé dans un deuxième matériau, de préférence métallique, différent du premier matériau permettant un déplacement entre le premier matériau et le deuxième matériau. En particulier, ce déplacement est dû aux natures et propriétés différentes des matériaux qui créent des micro frictions internes entre le premier matériau de la roue à aubes et le deuxième matériau du revêtement 7, soit à l’interface.
Pour ce faire, le revêtement 7 est déposé sur la roue à aubes 1 par une projection thermique qui permet le dépôt et la superposition de deux matériaux différents. Plus précisément, la projection thermique permet une bonne résistance mécanique du revêtement 7 et une adhérence suffisante entre les deux matériaux différents. Un exemple de projection thermique est une projection thermique à haute vitesse par flamme d’oxygène siglé « HVOF >> (pour high velocity oxygen fuel). La projection thermique peut être encore une projection plasma ou une projection plasma air.
De préférence, mais non limitativement, le deuxième matériau comprend un alliage à base nickel. Un exemple d’alliage à base nickel est avantageusement, mais non limitativement, du type MCrAlY avec M représentant un élément métallique ou un mélange de ces éléments. Un exemple de matériaux métalliques non limitatif est le fer, le nickel, le cobalt. De manière alternative, l’alliage est du type NiCoCrAlYT.
Le revêtement 7 est agencé sur au moins une partie de la roue à aubes. En particulier, le revêtement 7 est agencé sur le disque 2 où les amplitudes de vibrations sont les plus grandes et de manière à éviter la propagation des vibrations vers les aubes. Le revêtement 7 occupe entre 5 et 20 % de la surface du disque 2 de la roue à aubes 1.
Le revêtement 7 présente une forme annulaire continue et est déposé sur une zone annulaire 9 située au voisinage de la bordure périphérique 5 du disque
2. Le revêtement 7 peut, bien entendu, présenter une forme annulaire discontinue. Ce revêtement 7 présente une épaisseur comprise entre 0,5 et 1,5 mm. Le revêtement 7 peut également présenter une épaisseur variant de manière azimutale ou sectoriellement sur la zone annulaire 9. Le revêtement 7 comprend, par exemple, des premières et deuxièmes portions annulaires de revêtement espacées des unes des autres et réparties régulièrement autour de l’axe C, sur la zone annulaire. Les premières portions présentent une épaisseur différente de celles des deuxièmes portions. Ces premières et deuxièmes portions sont disposées de manière alternées. La variation azimutale de l’épaisseur du revêtement 7 est un moyen de brisure de symétrie cyclique.
Dans le cas du compresseur axial 22 illustré sur la figure 2, la zone annulaire 9 est disposée sur une portion de la première surface 3 qui est orientée vers l’axe X et en périphérie de celle-ci. Le revêtement 7 est déposé en d’autres termes sous la jante 28. Le revêtement 7 est défini dans un plan sensiblement parallèle à l’axe X.
Dans le cas du compresseur centrifuge 23 illustré sur la figure 3, les aubes 6’ s’étendent depuis la deuxième surface amont du disque. Le revêtement 7 est déposé sur la première surface 3 aval du disque comme représenté sur la figure 4. Le revêtement 7 est défini dans un plan sensiblement perpendiculaire à l’axe C.
0 Ainsi, un tel revêtement permet une dissipation énergétique inerte d’une structure très faiblement amortie en générant des micro-frictions et donc un amortissement et une appropriation modale désaccordée pour éviter des conditions de résonances synchrones.

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS
    1. Roue à aubes (1) comprenant un disque (2) d’axe de rotation (C) et une 5 pluralité d’aubes (6, 6’) solidaires du disque (2), ledit disque (2) étant réalisé dans un premier matériau métallique et comprenant des moyens d’amortissement de vibrations, caractérisée en ce que lesdits moyens d’amortissement comprennent au moins un revêtement (7) disposé par projection thermique sur une zone annulaire (9) au voisinage d’une bordure
    10 périphérique (5) du disque (2), le revêtement (7) étant réalisé dans un deuxième matériau métallique différent du premier matériau de manière à permettre un déplacement interne entre le premier et le deuxième matériaux pour amortir les vibrations.
    15 2. Roue à aubes (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la projection thermique est réalisée par HVOF, plasma ou plasma air.
    3. Roue à aubes (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la zone annulaire est située en périphérie d’une
  2. 2 0 première surface (3) du disque.
    4. Roues à aubes (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le revêtement (7) présente une forme annulaire continue ou discontinue.
    5. Roue à aubes (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le premier matériau comprend un acier ou un alliage à base titane ou nickel.
  3. 3 0 6. Roue à aubes (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le deuxième matériau comprend un alliage de base nickel du type MCrAlY avec M un élément métallique comprenant au moins du nickel.
    ίο
    7. Roue à aubes (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le disque (2) et les aubes (6, 6’) sont monoblocs.
  4. 5 8. Turbomachine (20) comprenant au moins une roues à aubes (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
  5. 9. Procédé de revêtement d’une roue à aubes (1) comprenant un disque (2) d’axe de rotation (C), une pluralité d’aubes (6, 6’) solidaires du disque (2) et
  6. 10 réalisée au moins dans un premier matériau métallique, le procédé comprenant le dépôt d’un revêtement (7) réalisé dans un deuxième matériau métallique, différent du premier matériau, par projection thermique sur une zone annulaire (9) au voisinage d’une bordure périphérique (5) du disque (2) de manière à permettre un déplacement interne entre le premier
  7. 15 et le deuxième matériaux pour amortir les vibrations.
    10. Procédé de revêtement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la projection thermique est réalisée par HVOF, plasma ou plasma air.
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