FR3063102A1 - Aube statorique a angle de calage variable pour une turbomachine d'aeronef - Google Patents

Aube statorique a angle de calage variable pour une turbomachine d'aeronef Download PDF

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Abstract

Aube statorique (1') à angle de calage variable pour une turbomachine d'aéronef, comprenant : - une encoche (10) s'étendant d'une part dans l'extrémité radialement interne de la pale et dans la platine, sur toute l'épaisseur de la platine, ladite encoche définissant au moins un rayon (R) de raccordement entre la pale et la platine et s'étendant dans l'extrémité radialement interne de la pale et sur toute ladite épaisseur de la platine, et - une découpe (11) à l'extrémité radialement interne de la pale et définissant un bord biseauté (11a) incliné d'amont en aval radialement de l'intérieur vers l'extérieur et s'étendant sensiblement entre ladite encoche et ledit bord de fuite.

Description

DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne une aube statorique à angle de calage variable pour une turbomachine d’aéronef, ainsi qu’une turbomachine d’aéronef comportant une telle aube.
ETAT DE L’ART
L’état de l’art comprend notamment le document FR-A1-2 989 993.
Parmi les turbomachines, les moteurs à turbine à gaz comprennent un ou plusieurs rotors, chacun avec un compresseur et une turbine reliés par un arbre. Dans un turbomoteur multiflux et multicorps, l’air primaire circule à travers la soufflante et le compresseur à basse pression en entrée puis à travers le compresseur à haute pression, la chambre de combustion et les turbines entraînant les compresseurs avant d’être éjecté par la tuyère dans l’atmosphère.
La figure 1 montre partiellement un compresseur 100 axial à haute pression d’un moteur à double flux et double corps. Le tambour rotatif 101 comporte plusieurs étages successifs de compression, chacun avec des aubes 103 disposées de manière à former une roue d’aubes. Les aubes mobiles s’étendent radialement entre le tambour 101 et le carter extérieur 107 qui délimitent ensemble l’enveloppe de la veine d’air traversant le compresseur.
Entre chaque étage de roue mobile est disposée une roue d’aubes 110 de stator formant des redresseurs de flux d’un étage à l’autre. Les premiers étages de redresseurs, ici deux visibles sur la figure, sont à angle de calage variable afin de permettre une adaptation de la géométrie des aires de passage aux conditions de fonctionnement du moteur.
Les aubes de redresseur à angle de calage variable s’étendent radialement entre l’enveloppe 107 et le tambour 101, vis-à-vis de l’axe A de la turbomachine. Elles comprennent à chacune de leurs extrémités radiales une platine 115 et un pivot 117, 119. La pale de chaque aube est reliée par une platine 115 radialement externe au pivot 117, et par une platine 116 radialement interne au pivot 119.
La platine 115 est engagée dans un renfoncement de l’enveloppe et assure la continuité de la veine. Le pivot 119 traverse la paroi de l’enveloppe et est relié par un levier à un anneau de commande transversal 120. La rotation de l’anneau autour de l’axe A commande la rotation des redresseurs autour de l’axe X de leurs pivots. Les pivots 117 des aubes sont reliés entre eux par un anneau 122 comportant des organes d’étanchéité coopérant avec des moyens complémentaires sur le tambour. La rotation de l’aube par rapport à l’anneau d’étanchéité 122 est permise par les pivots 119. La platine 116 est engagée dans un logement de l’anneau 122 et assure la continuité de la veine.
On a constaté que la zone de transition entre la platine 116 et la pale était soumise à un chargement statique important et que des criques étaient susceptibles d’être initiées dans cette zone lorsque la pièce était soumise à un chargement dynamique.
Dans le but de réduire les contraintes statiques et d’augmenter corrélativement le niveau de contrainte dynamique admissible, sur des pièces existantes pour en améliorer la résistance à la fatigue, un usinage apparaît nécessaire, ce qui a été proposé par la Demanderesse dans le document FR-A1-2 989 993.
Cependant, dans la technique actuelle, les solutions proposées ne permettent pas de tenir compte à la fois des contraintes statiques et des contraintes dynamiques du fait qu’elles ne tiennent pas compte de tous les modes de flexion et de torsion en fatigue vibratoire.
La présente invention propose une solution à ce problème, qui est simple, efficace et économique.
EXPOSE DE L’INVENTION
L’invention propose une aube statorique à angle de calage variable pour une turbomachine d’aéronef, comprenant une pale présentant un bord d’attaque et un bord de fuite et s’étendant entre deux pivots, respectivement radialement interne et externe, lesdits pivots étant sensiblement alignés sur un même axe X, ladite pale étant reliée audit pivot radialement interne par une platine interne présentant au moins en partie une forme générale annulaire autour dudit axe X, caractérisée en ce qu’elle comprend :
- une encoche s’étendant d’une part dans l’extrémité radialement interne de la pale et dans la platine, sur toute l’épaisseur de la platine le long dudit axe X, ladite encoche définissant au moins un rayon de raccordement entre la pale et la platine et s’étendant dans l’extrémité radialement interne de la pale et sur toute ladite épaisseur de la platine, et
- une découpe à l’extrémité radialement interne de la pale et définissant un bord biseauté (de préférence incliné d’amont en aval radialement de l’intérieur vers l’extérieur) s’étendant sensiblement entre ladite encoche et ledit bord de fuite.
La combinaison de l’encoche et de la découpe permet de résoudre le problème précité. En effet, l’encoche apporte un gain sur les contraintes statiques et certains modes de flexion et de torsion, tandis que la découpe apporte un gain sur les modes de torsion. L’invention permet ainsi de réduire simultanément les niveaux vibratoires sur tous les modes de flexion et de torsion, accompagné également d’une réduction de la réponse statique.
L’aube selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- ledit bord biseauté est directement relié à son extrémité radialement externe audit bord de fuite,
- une extrémité radialement interne dudit bord biseauté est reliée par un bord de la pale orienté radialement vers l’intérieur audit au moins un rayon de raccordement,
- ladite découpe a une étendue le long dudit axe, qui représente entre 0 et 50%, de préférence entre 5 et 20%, et plus préférentiellement entre 8 et 14%, de la hauteur de ladite pale le long du même axe,
- ladite découpe a une étendue le long d’une corde de la pale, qui peut s’étendre jusqu’au bord de la platine, et qui peut représenter entre 10 et 30%, et de préférence entre 15 et 21%, de la longueur de ladite corde,
- ladite encoche peut s’étendre jusqu’au pivot et peut représenter une réduction comprise entre 5 et 20% du diamètre externe de ladite platine, mesuré par rapport audit axe X,
- ladite réduction diminue depuis l’extrémité radialement interne jusqu’à l’extrémité radialement externe de ladite platine,
- ladite encoche est reliée à une face radialement interne de ladite platine par un bord sensiblement rectiligne.
La présente invention concerne encore une turbomachine d’aéronef, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins une aube telle que décrite cidessus.
L’invention concerne encore un procédé de maintenance d’une aube statorique à angle de calage variable pour une turbomachine d’aéronef, ladite aube comprenant une pale présentant un bord d’attaque et un bord de fuite et s’étendant entre deux pivots, respectivement radialement interne et externe, lesdits pivots étant sensiblement alignés sur un même axe X, ladite pale étant reliée audit pivot radialement interne par une platine présentant au moins en partie une forme générale annulaire autour dudit axe X, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes consistant à :
a) détecter une apparition de criques dans une zone de raccordement de la pale à ladite platine, ou un risque imminent d’apparition d’une telle crique, et
b) usiner l’aube de façon à ce qu’elle soit telle que définie à l’une des revendications précédentes.
Le procédé selon l’invention propose ainsi d’usiner une aube statorique même avant l’apparition d’une crique afin d’améliorer son comportement vibratoire et ainsi augmenter sa durée de vie. Le procédé s’applique ainsi aux aubes de la technique antérieure. L’objectif n’est pas que d’enlever physiquement une crique par un enlèvement de matière, mais de modifier géométriquement la pale afin de réduire ses niveaux vibratoires.
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 en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 est une demi vue schématique en coupe axiale d’un compresseur de turbomachine,
- la figure 2 est une vue schématique en perspective d’une aube à calage variable de la technique antérieure,
- la figure 3 est une vue à plus grande échelle d’une partie de la figure 2,
- la figure 4 est une vue correspondant à la figure 3 et illustrant un mode de réalisation d’une aube selon l’invention, et
- les figures 5 à 7 sont des vues schématiques en perspectives de l’aube de la figure 4.
DESCRIPTION DETAILLEE
Dans la description détaillée qui suit, les termes radial, amont/aval, interne/externe, etc., font référence à l’axe longitudinal de la turbomachine, qui est l’axe de rotation de ses rotors.
L’aube 1 de stator à angle de calage variable représentée sur la figure 2 peut correspondre à celles qui composent les deux premiers étages du compresseur axial présenté sur la figure 1.
L’aube 1 comprend une pale 3 présentant un bord d’attaque 3a et un bord de fuite 3b des gaz s’écoulant dans la veine du compresseur. La pale 3 s’étend entre deux pivots 7, 9, respectivement radialement interne et externe. Les pivots 7, 9 sont sensiblement alignés sur un même axe X. La pale 3 est reliée au pivot 7 par une platine interne 5 présentant au moins en partie une forme générale annulaire autour de l’axe X. La pale 3 est également reliée au pivot 9 par une platine externe 6 présentant au moins en partie une forme générale annulaire autour de l’axe X.
Les platines 5, 6 sont conformées pour être logées dans des cavités ménagées respectivement dans l’anneau intérieur d’étanchéité et dans l’enveloppe interne du carter du compresseur. Les surfaces des platines du côté de la pale sont dans la continuité des parois délimitant la veine d’air. Les platines sont circulaires et en général sensiblement cylindriques car elles doivent pouvoir tourner autour de l’axe X défini par les pivots 7 et 9. Les axes de révolution des platines sont ainsi confondus avec l’axe X.
Dans l’exemple représenté, le bord d’attaque 3a de la pale est reliée à son extrémité radialement interne au bord périphérique de la platine 5, et à son extrémité radialement externe au bord périphérique de la platine 6. Le bord de fuite 3b de la pale est relié à son extrémité radialement interne au bord périphérique de la platine 5 par un bord 3c orienté radialement vers l’intérieur, et à son extrémité radialement externe au bord périphérique de la platine 6 par un bord 3d orienté radialement vers l’extérieur. Les bords 3c et 3d ont une orientation sensiblement rectiligne dans la technique actuelle. Également dans la technique actuelle, la platine 5 a une forme générale cylindrique dont le diamètre externe vis-à-vis de l’axe X est noté D.
On se réfère désormais aux figures 4 à 7 qui illustrent un mode de réalisation de l’invention.
L’aube 1’ à angle de calage variable selon l’invention comprend les caractéristiques générales décrites dans ce qui précède et se distingue de l’aube 1 des figures 2 et 3 en ce qu’elle comprend :
- une encoche 10 s’étendant d’une part dans l’extrémité radialement interne de la pale 3 et dans la platine interne 5, sur toute l’épaisseur de la platine le long dudit axe X, et
- une découpe 11 à l’extrémité radialement interne de la pale 3 et définissant un bord biseauté 11a incliné d’amont en aval radialement de l’intérieur vers l’extérieur et s’étendant sensiblement entre l’encoche 10 et le bord de fuite 3b.
L’encoche 10 définit au moins un rayon R de raccordement entre la pale 3 et la platine interne 5 et s’étendant dans l’extrémité radialement interne de la pale et sur toute l’épaisseur de la platine. L’encoche représente par exemple une réduction (double flèche 12 - figure 4) comprise entre 0 et 50 du diamètre externe D de la platine interne 5, mesuré par rapport audit axe X. Cette réduction peut diminuer depuis l’extrémité radialement interne jusqu’à l’extrémité radialement externe de ladite platine, comme cela est visible dans les dessins.
L’encoche 10 peut s’étendre en direction transversale sur une dimension (double flèche 13 - figure 7) représentant entre 30 et 90%, et de préférence entre 50 et 90%, du diamètre externe de la platine interne 5.
L’encoche peut être délimitée par une unique surface S1 dans la platine, c’est-à-dire une surface dépourvue de discontinuité telle que des arêtes vives. Cette surface S1 est reliée à une face S2 radialement interne de la platine par un bord 14 sensiblement rectiligne (figure 7).
A travers l’encoche, les inventeurs ont cherché à usiner localement la pale 3 au niveau de la zone critique (raccordement pale/platine) afin de gagner en épaisseur de section travaillante, et améliorer ainsi l’état de contrainte statique. La solution proposée permet une réduction de la contrainte statique maximale. L’encoche apporte en outre un gain en réponse vibratoire sur certains modes de torsion et de flexion.
Le bord biseauté défini par la découpe 11 est directement relié à son extrémité radialement externe au bord de fuite 3b dans l’exemple représenté. L’extrémité radialement interne de ce bord biseauté est ici reliée par une portion du bord 3c précité de la pale au rayon de raccordement R.
La découpe 11 a une étendue le long de l’axe (double flèche 15 figure 4), qui représente entre 5 et 20%, et de préférence entre 8 et 14%, de la hauteur de la pale le long du même axe. La découpe 11 a une étendue le long d’une corde C de la pale (double flèche 16 - figure 4), qui représente entre 10 et 30%, et de préférence entre 15 et 21%, de la longueur de cette corde.
La découpe est réalisée dans l’optique de minimiser la réponse vibratoire de certaines modes de torsion. Le déplacement maximum de ces modes se situe en coin de pale radialement interne, côté bord de fuite. Les inventeurs ont choisi de découper cette zone afin de modifier la réponse vibratoire. En effet, en réduisant la masse en mouvement des modes précités, la contrainte dynamique dans la zone critique s’atténue significativement.
Au final, on peut obtenir un gain de 5% sur les contraintes statiques maximales et des gains très importants sur les réponses vibratoires, ce qui réduit considérablement le risque de casse.
L’encoche 10 et la découpe 11 peuvent être réalisées sur une aube neuve ou sur une aube déjà utilisée. Dans le second cas, lors d’une opération de maintenance, l’aube est de préférence usinée avant l’apparition de criques dans la zone de raccordement pale/platine, au moment où le risque d’apparition de telles criques est imminent, de façon à rallonger la durée de vue de l’aube. L’encoche 10 et la découpe 11 peuvent également être réalisées après l’apparition d’une crique lors d’une opération de réparation de façon à retirer l’ensemble de la zone endommagée.
L’aube 1’ est en général formée d’une seule pièce en alliage métallique.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Aube statorique (1 ’) à angle de calage variable notamment pour une turbomachine d’aéronef, comprenant une pale (3) présentant un bord d’attaque (3a) et un bord de fuite (3b) et s’étendant entre deux pivots (7, 9), respectivement radialement interne et externe, lesdits pivots étant sensiblement alignés sur un même axe X, ladite pale étant reliée audit pivot radialement interne par une platine interne (5) présentant au moins en partie une forme générale annulaire autour dudit axe X, caractérisée en ce qu’elle comprend :
    - une encoche (10) s’étendant d’une part dans l’extrémité radialement interne de la pale et dans la platine, sur toute l’épaisseur de la platine le long dudit axe X, ladite encoche définissant au moins un rayon (R) de raccordement entre la pale et la platine et s’étendant dans l’extrémité radialement interne de la pale et sur toute ladite épaisseur de la platine, et
    - une découpe (11) à l’extrémité radialement interne de la pale et définissant un bord biseauté (11a) s’étendant sensiblement entre ladite encoche et ledit bord de fuite.
  2. 2. Aube (T) selon la revendication 1, dans laquelle ledit bord biseauté (11a) est directement relié à son extrémité radialement externe audit bord de fuite (3b).
  3. 3. Aube (T) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle une extrémité radialement interne dudit bord biseauté (11a) est reliée par un bord (3c) de la pale (3) orienté radialement vers l’intérieur audit au moins un rayon de raccordement (R).
  4. 4. Aube (T) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle ladite découpe (11) a une étendue (15) le long dudit axe X, qui représente entre 0 et 50%, de préférence entre 5 et 20%, et plus préférentiellement entre 8 et 14%, de la hauteur de ladite pale (3) le long du même axe.
  5. 5. Aube (1’) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle ladite découpe (11) a une étendue (16) le long d’une corde (C) de la pale (3), qui représente entre 10 et 30%, et de préférence entre 15 et 21%, de la longueur de ladite corde.
  6. 6. Aube (1’) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle ladite encoche (10) représente une réduction (12) comprise entre 5 et 20% du diamètre externe (D) de ladite platine (5), mesuré par rapport audit axe X.
  7. 7. Aube (1’) selon la revendication précédente, dans laquelle ladite réduction (12) diminue depuis l’extrémité radialement interne jusqu’à l’extrémité radialement externe de ladite platine (5).
  8. 8. Aube (1’) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle ladite encoche (10) est reliée à une face (S2) radialement interne de ladite platine (5) par un bord (14) sensiblement rectiligne.
  9. 9. Turbomachine d’aéronef, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins une aube (T) selon l’une des revendications précédentes.
  10. 10. Procédé de maintenance d’une aube statorique à angle de calage variable notamment pour une turbomachine d’aéronef, ladite aube comprenant une pale présentant un bord d’attaque et un bord de fuite et s’étendant entre deux pivots, respectivement radialement interne et externe, lesdits pivots étant sensiblement alignés sur un même axe X, ladite pale étant reliée audit pivot radialement interne par une platine présentant au moins en partie une forme générale annulaire autour dudit axe X, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes consistant à :
    a) détecter une apparition de criques dans une zone de raccordement de la pale à ladite platine, ou un risque imminent d’apparition d’une telle crique, et
    b) usiner l’aube de façon à ce qu’elle soit telle que définie à l’une des revendications 1 à 8
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