FR3099213A1

FR3099213A1 - Rotor de soufflante pour une turbomachine d’aeronef

Info

Publication number: FR3099213A1
Application number: FR1908356A
Authority: FR
Inventors: Gérard Edmond JOLY Philippe; Nicolas Lagarde Romain; Claude Perrollaz Jean-Marc; Laurent Jablonski; Jean COMIN François; Antoine Dominique Marie DE JAEGHERE Edouard; Jean-Pierre Douguet Charles
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2019-07-23
Filing date: 2019-07-23
Publication date: 2021-01-29
Anticipated expiration: 2039-07-23
Also published as: FR3099213B1

Abstract

L’invention concerne un rotor (1) de soufflante pour une turbomachine d’aéronef, comportant un disque (10) de soufflante et des aubes (30) de soufflante, ledit disque (10) comportant à sa périphérie des alvéoles (11) longitudinales de montage de pieds (31) desdites aubes (30) qui sont retenus dans ces alvéoles (11) par coopération de formes. Selon l’invention, le rotor (1) comprend en outre des patins (40) viscoplastiques d’amortissement de vibrations, chacun de ces patins (40) étant intercalé entre un côté (32, 33) de chaque pied (31) d’aube (30) et une face (18, 19) du disque (10) en regard de ce pied (31). L’invention concerne aussi une turbomachine comportant un tel rotor (1). Figure pour l’abrégé : Figure 2

Description

ROTOR DE SOUFFLANTE POUR UNE TURBOMACHINE D’AERONEF

La présente invention concerne un rotor de soufflante pour une turbomachine d’aéronef.

Une turbomachine connue de l’état de la technique comprend un carter et un rotor de soufflante susceptible d’être mis en rotation par rapport au carter, autour d’un axe longitudinal, grâce à un arbre de soufflante.

Le rotor de soufflante comprend un disque centré sur l’axe longitudinal, une pluralité d’aubes réparties de manière circonférentielle au niveau de la partie externe du disque, et une pluralité de plateformes solidaires du disque dont chacune est située entre deux aubes adjacentes et au contact de ces dernières.

Le domaine de fonctionnement du rotor de soufflante est limité. Plus précisément, l’évolution d’un taux de compression du rotor de soufflante en fonction d’un débit d’air qu’il aspire lors de sa mise en rotation, est restreinte à un domaine prédéterminé.

Au-delà de ce domaine, le rotor de soufflante est en effet soumis à des phénomènes aéroélastiques qui le déstabilisent. Plus précisément, l’air circulant à travers le rotor de soufflante en fonctionnement apporte de l’énergie aux aubes, et les aubes répondent sur leurs modes propres à des niveaux pouvant dépasser la limite d’endurance du matériau qui les constitue. Ce couplage fluide-structure génère donc des instabilités vibratoires qui accélèrent l’usure du rotor de soufflante et diminuent sa durée de vie.

Un rotor de soufflante qui comprend un nombre d’aubes réduit, et qui est soumis à des charges aérodynamiques élevées, est très sensible à ce genre de phénomènes.

C’est la raison pour laquelle il est nécessaire de garantir une marge suffisante entre le domaine de fonctionnement stable et les zones d’instabilité, de sorte à ménager les limites d’endurance du rotor de soufflante.

Pour ce faire, il est connu de doter le rotor de soufflante d’amortisseurs. Des exemples d’amortisseurs ont été décrits dans les documents FR-A1-2 949 142, EP-A1-1 985 810 et FR-A1-2 923 557, au nom de la Demanderesse. Ces amortisseurs sont tous configurés pour être logés au sein d’un logement délimité entre la plateforme et un pied de deux aubes successives. Par ailleurs, de tels amortisseurs fonctionnent lors d’un déplacement relatif entre deux plateformes d’aubes successives, par dissipation de l’énergie de vibration, par exemple par frottement. Par conséquent, ces amortisseurs s’attachent uniquement à amortir un premier mode vibratoire des aubes qui caractérise une réponse asynchrone des aubes aux sollicitations aérodynamiques. Dans ce premier mode vibratoire, le déphasage inter-aube est non nul.

Toutefois, de tels amortisseurs sont totalement inefficaces pour amortir un deuxième mode vibratoire dans lequel chaque aube bat par rapport au disque avec un déphasage inter-aube nul. En effet, dans ce deuxième mode vibratoire, il n’existe pas de déplacement relatif entre deux plateformes d’aubes successives. Cette réponse particulière des aubes aux sollicitations aérodynamiques, quoique synchrone, implique tout de même un moment non nul sur l’arbre de soufflante. En outre, ce deuxième mode vibratoire est couplé entre les aubes et le disque. L’amplitude de ce deuxième mode vibratoire est d’autant plus importante que les aubes sont grandes.

La présente invention a notamment pour but de résoudre tout ou partie des problèmes précités.

L’invention propose à cet effet un rotor de soufflante pour une turbomachine d’aéronef, comportant un disque de soufflante et des aubes de soufflante, ledit disque comportant à sa périphérie des alvéoles longitudinales de montage de pieds desdites aubes qui sont retenus dans ces alvéoles par coopération de formes.

Selon l’invention, le rotor comprend en outre des patins viscoplastiques d’amortissement de vibrations, chacun de ces patins étant intercalé entre un côté de chaque pied d’aube et une face du disque en regard de ce pied.

Contrairement au premier mode vibratoire, le deuxième mode vibratoire se caractérise par un déphasage inter-aube nul. Par conséquent, disposer un amortisseur entre deux aubes successives d’un rotor, comme cela a déjà été proposé dans l’art antérieur, ne produit aucun effet sur le deuxième mode vibratoire. Les patins viscoplastiques d’amortissement de l’ensemble précédemment décrit présente, quant à eux, l’avantage d’influencer le deuxième mode vibratoire car il joue sur un effet du deuxième mode vibratoire : le déplacement de l’aube par rapport au disque selon une direction tangentielle, c’est à dire dans un plan orthogonal à l’axe de rotation longitudinal du rotor. Ainsi, en s’opposant à cet effet, les patins viscoplastiques amortissent le deuxième mode vibratoire. Il convient néanmoins de noter que le premier mode vibratoire participe également au déplacement de l’aube par rapport au disque, dans le plan orthogonal à l’axe longitudinal. Par conséquent, en s’opposant à cet effet, les patins viscoplastiques amortissent également le premier mode vibratoire. L’amortissement n’est donc pas ici basé sur l’exploitation de l’indice de déphasage du mode (donc d’écart de déplacements relatif entre deux aubes consécutives) mais sur un écart de déplacement entre l’aube à amortir et le disque.

Le rotor de soufflante selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, prises isolément les unes avec les autres ou en combinaison les unes avec les autres :

chaque patin est intercalé entre un côté de chaque pied d’aube et une face de l’alvéole du disque en regard de ce pied ;
des patins sont portés par le disque de soufflante ;
les alvéoles sont séparées les unes des autres par des dents longitudinales du disque, les patins étant fixés sur les dents ;
les dents comprennent une patte en saillie de fixation d’une plateforme inter-aubes, les patins étant fixés sur les pattes de fixation des dents ;
les pattes de fixation sont situées à des extrémités longitudinales aval des dents ;
des patins sont portés par des cales intercalées entre les pieds des aubes et des fonds des alvéoles ;
chacune des cales a une forme générale allongée et des bords longitudinaux incurvés sur chacun desquels s’étend et est fixé un patin ;
les patins sont fixés par collage ;
chaque pied d’aubes coopère avec un, deux ou trois patins ;
au moins un des patins a une forme générale parallélépipédique ;
au moins un des patins est formée par au moins une lanière ; et
au moins un des patins est réalisé en Smactane®.

L’invention concerne également une turbomachine d’aéronef, comportant un rotor de soufflante tel que décrit précédemment.

Brèves descriptions des figures :

L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement 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’une section circulaire d’un rotor selon l’invention ;

la figure 2 illustre en perspective une partie du rotor comprenant un patin viscoplastique d’amortissement de vibrations vu depuis un côté amont du rotor ;

la figure 3 illustre la partie du rotor de la figure 2 vu depuis un côté aval du rotor ;

la figure 4 est une vue schématique en coupe transversale d’une cale intercalée entre un pied d’aube et une alvéole du rotor ; et

la figure 5 est une vue schématique en perspective de la cale de la figure 4.

En référence à la figure 1, on a représenté de façon schématisée une section circulaire d’un rotor 1 de soufflante pour une turbomachine d’aéronef. Un tel rotor 1 présente un axe longitudinal de rotation A.

Dans la présente demande, la direction axiale ou longitudinale correspond à la direction de l'axe longitudinal de rotation A du rotor 1. La direction radiale est une direction perpendiculaire à l'axe A et la direction circonférentielle est une direction perpendiculaire à la direction axiale et à la direction radiale. Par ailleurs, sauf précision contraire, les adjectifs intérieur/interne et extérieur/externe sont utilisés en référence à une direction radiale de sorte que la partie intérieure (i.e. radialement intérieure) d'un élément est plus proche de l'axe longitudinal de rotation A que la partie extérieure (i.e. radialement extérieure) du même élément. Enfin, l'amont et l'aval sont définis par rapport au sens d'écoulement normal du fluide (de l'amont vers l'aval) à travers la turbomachine selon la direction axiale.

Le rotor 1 comporte un disque 10 de soufflante et des aubes 30 de soufflante comprenant des pieds 31. Chaque aube 30 comprend un intrados, un extrados, un bord d’attaque 30a situé au niveau d’une partie amont de l’aube 30 et un bord de fuite 30b situé au niveau d’une partie aval de l’aube 30.

Le rotor 1 de soufflante comprend également des plateformes inter-aubes 2 configurées pour être solidaires du disque 10 de soufflante entre deux aubes 30 de soufflante adjacentes. Les plateformes 2 sont intercalées entre les aubes 30 de soufflante et fixées à la périphérie du disque 10. Chaque plateforme 2 comporte une paroi 3 définissant une face externe aérodynamique s’étendant le long de l’axe A sensiblement depuis les bords d’attaque 30a jusqu’aux bords de fuite 30b des aubes 30 entre lesquelles cette plateforme 2 est montée.

Le disque 10 comporte à sa périphérie des alvéoles 11 longitudinales de montage des pieds 31 des aubes 30. Les pieds 31 sont en effet configurés pour être retenus dans ces alvéoles 11 par coopération de formes. Les alvéoles 11 sont séparées les unes des autres par des dents 15 longitudinales du disque 10.

Chaque alvéole 11 comprend une première paroi 12 longitudinale, définie notamment par un premier côté d’une première dent 15 et une deuxième paroi longitudinale 13, opposée à la première paroi longitudinale 12 et définie par exemple par un deuxième côté d’une autre dent 15, adjacente à la première dent 15. Les première et deuxième parois 12, 13 s’étendent en particulier dans un plan comprenant l’axe de rotation A et une direction radiale. Elles peuvent comprendre plusieurs facettes. Les alvéoles 11 comprennent en outre un fond 14 reliant la première paroi 12 d’une alvéole 11 à la deuxième paroi 13 de la même alvéole 11. Le fond 14 s’étend notamment sensiblement perpendiculairement aux première et deuxième parois 12, 13.

Les dents 15 comprennent en outre un côté supérieur 16 faisant face aux plateformes 2 et reliant le premier côté au deuxième côté d’une même dent 15. Les dents 15 comprennent par exemple une patte en saillie 20 de fixation des plateformes 2. Les pattes de fixation 20 sont situées à des extrémités longitudinales aval 17 des dents 15. Chaque patte de fixation comprend une première paroi longitudinale 22, située dans le prolongement radial de la première paroi 12 de l’alvéole 11 et une deuxième paroi longitudinale 23, située dans le prolongement radial de la deuxième paroi 13 de l’alvéole 11. Les pattes de fixation 20 comprennent par exemples des orifices 21 de fixation des plateformes 2, notamment configurées pour recevoir des vis de fixation.

Le disque 10 comprend une pluralité de couples de première face 18 et deuxième face 19. Les première et deuxième faces 18, 19 d’un même couple sont situées de part et d’autre et en regard d’un même pied 31. Chaque première face 18 comprend la première paroi 12 d’une alvéole 11 et la première paroi 22 de la patte de fixation 20 correspondante. De manière similaire, chaque deuxième face 19 comprend la deuxième paroi 13 d’une alvéole 11 et la deuxième paroi 23 de la patte de fixation 20 correspondante.

Les pieds 31 comprennent un premier côté 32, dont la partie situé au niveau de l’alvéole 11 est sensiblement de la même forme que la première paroi 12 de l’alvéole 11 et un deuxième côté 33 dont la partie situé au niveau de l’alvéole 11 est sensiblement de la même forme que la deuxième paroi 13 de l’alvéole 11. Les pieds 31 comprennent en outre un côté intérieur 34 destiné à se retrouver en vis-à-vis du fond 14 de l’alvéole 11 et à relier le premier côté 32 au deuxième côté 33 d’un même pied 31.

Comme visible sur les figures 2 et 3, le rotor 1 comprend en outre des patins 40 viscoplastiques d’amortissement de vibrations. On entend par matériaux viscoplastiques des matériaux solides qui présentent un comportement inélastique dépendant de leur vitesse de déformation. La dépendance à la vitesse de déformation, dans ce contexte, signifie que les déformations sont proportionnelles à la vitesse de chargement. Le comportement inélastique est ici un comportement plastique ce qui signifie que le matériau subit des déformations irréversibles quand un certain niveau de chargement est atteint.

Les patins 40 sont par exemple fixés par collage. Ils sont par exemple intercalés entre au moins un des côtés 32, 33 de chaque pied 31, notamment le premier côté 32 et au moins une des parois 18, 19 en regard du disque 10, notamment la première paroi 18. Les patins 40 permettent ainsi d’amortir un déplacement tangentiel d’une aube 30 par rapport au disque 10. Les patins 40 sont fixés ici sur la première paroi 22 de la patte de fixation 20. Les patins 40 sont placés par exemple sur un seul côté de chaque pied 31 notamment pour casser la symétrie de la réponse du mode. Chaque pied d’aubes 31 coopère par exemple avec un, deux ou trois patins 40. Chaque patin 40 a par exemple une forme générale parallélépipédique dont les deux plus grandes faces s’étendent par exemple parallèlement au côté 32, 33 du pied 31 en face duquel le patin 40 se trouve. Les patins 40 sont notamment portés par le disque 10 de soufflante et en particulier fixés sur les dents 15.

Il a été identifié par la Demanderesse que la zone de l’aube 30 présentant le déplacement relatif tangentiel par rapport au reste du rotor le plus fort se situe dans une zone aval de l’aube. Les patins 40 sont ainsi fixés de manière avantageuse dans cette zone aval de l’aube, et en particulier sur les pattes de fixation 20 des dents 15. Les patins 40 sont ainsi configurés pour s’intégrer dans la zone identifiée comme la plus efficace, c’est-à-dire présentant le déplacement relatif tangentiel d’une aube 30 par rapport au reste du rotor 1 le plus important.

Selon une variante de réalisation de l’invention illustrée sur les figures 4 et 5, les patins 40 sont portés par des cales 50 intercalées entre les pieds 31 des aubes 30 et les alvéoles 11. Les patins 40 sont par exemple intercalés entre au moins un des côtés 32, 33 de chaque pied 31, ici le premier et le deuxième côtés 32, 33 et au moins une des parois 12, 13 en regard de l’alvéole 11, ici les première et deuxième parois 12, 13 de l’alvéole 11. Les patins 40 permettent ici aussi d’amortir un déplacement tangentiel d’une aube 30 par rapport au disque 10.

Chacune des cales 50 a une forme générale allongée dans la direction axiale et des bords longitudinaux incurvés 51, 52 vers l’extérieur. Au moins un patin 40 s’étend et est fixé sur un des bords longitudinaux incurvés 51, 52. Dans l’exemple illustré, deux patins 40 s’étendent et sont fixés chacun sur un bord longitudinal incurvé 51, 52 différent. Les bords longitudinaux 51, 52 sont intercalés entre les côtés 32, 33 des pieds 31 et les parois 12, 13 des alvéoles. Chaque cale 50 comprend en outre un fond 53, reliant les bords longitudinaux 51, 52 entre eux. Le fond 53 est notamment situé entre le côté inférieur 34 d’un pied 31 et le fond 14 d’une alvéole 11.

Chaque patin 40 est par exemple formé ici par au moins une lanière 41, 42, 43, 44 et en particulier deux lanières. Chaque lanière 41, 42, 43, 44 présente par exemple une épaisseur de 0,3mm, une longueur de 131 mm et une hauteur de 7,5mm. Les mouvements relatifs entre l’aube 30 et le disque 10 se traduisent par une déformation des lanières 41, 42, 43, 44. Cette déformation est dissipée par frottement visqueux grâce aux caractéristiques viscoélastique de ces lanières.

Les lanières 41, 42, 43, 44 sont par exemple situées au niveau des bords longitudinaux 51, 52. Elles s’étendent notamment sur toute la longueur de la cale 50. Au niveau d’un premier 51 des bords longitudinaux incurvés, une première 41 des lanières est collée du côté de la cale 50 faisant face à la première paroi 12 de l’alvéole 11. Toujours au niveau du premier bord longitudinal 51, une deuxième 42 des lanières est collée du côté de la cale faisant face au premier côté 32 du pied 31. De manière symétrique, une troisième 43 des lanières et une quatrième 44 des lanières sont situées au niveau d’un deuxième 52 des bords longitudinaux incurvés de la cale 50. La troisième lanière 43 est alors collée du côté de la cale 50 faisant face à la deuxième paroi 13 de l’alvéole 11 et la quatrième lanière 44 est collée du côté de la cale faisant face au deuxième côté 33 du pied 31. Ces lanières 41, 42, 43, 44, notamment du fait de l’effet centrifuge, viennent se coincer entre les parois 12, 13 de l’alvéole 11 et les côtés 32, 33 du pied 31.

Chaque lanière 41, 42, 43, 44 comprend une première portion 45 en contact avec la cale 50 et une deuxième portion 46 en contact avec la deuxième portion 46 de l’autre lanière située sur le même bord longitudinal incurvé de manière à venir pincer le bord longitudinal incurvé sur lequel elles se trouvent.

La deuxième lanière 42 est agencée de sorte que sa deuxième portion 46 dépasse légèrement la deuxième portion 46 de la première lanière 41, notamment d’une distance d1 de 0,4 mm.

De manière similaire, la quatrième lanière 44 est agencée de sorte que sa deuxième portion 46 dépasse légèrement la deuxième portion 46 de la troisième lanière 43, notamment d’une distance d1 de 0,4 mm.

Les deuxièmes portions 46 font donc saillie au-delà des bords longitudinaux incurvés 51, 52 de la cale 50, par exemple d’une distance d2 de 3,4 mm.

Chaque patin 40 est par exemple réalisé dans un matériau de la gamme ayant l’appellation commerciale « SMACTANE® ST », par exemple un matériau de type « SMACTANE® ST 70 ». Il a en effet été observé que de tels matériaux présentent des propriétés d’amortissement appropriées.

Les patins 40 de l’invention amortissent ainsi l’excitation des aubes 30 qui se traduit par une modification périodique du jeu dans la zone où ils sont situés, c’est-à-dire ici entre un côté 32, 33 d’un pied 31 et une face 18, 19 du disque 10.

Les patins 40 permettent ainsi d’assurer un lien suffisamment raide (en particulier selon une direction tangentielle) entre l’aube 30 et le disque 10. En effet, si le patin 40 est trop souple alors un écart de déplacement relatif entre l’aube 30 et le disque 10 se transformera en une déformation au sein du rotor 1 ce qui n’apportera aucun amortissement du mode. Au contraire, les patins 40 dissipent ici un tel déplacement par cisaillement viscoélastique.

Toutefois, les patins 40 demeurent suffisamment souples pour maximiser les surfaces de contact entre les patins 40 et l’aube 30 sur laquelle ils viennent en appui. Pour ce faire, les patins 40 présentent une rigidité tangentielle plus importante qu’une rigidité axiale et qu’une rigidité radiale. Ainsi, les patins 40 sont rigides dans le sens tangentiel pour transmettre le différentiel de déplacement mais souple en radial/axial pour maximiser les contacts entre l’aube 30 et le disque 10.

Afin de garantir de façon pérenne le coefficient de frottement entre les patins 40 et les aubes 30, il est prévu de mettre une pré-contrainte suffisante sur le matériau viscoplastique pour que le déplacement tangentiel relatif aube/disque se transforme en cisaillement du matériau viscoplastique.

Claims

Rotor (1) de soufflante pour une turbomachine d’aéronef, comportant un disque (10) de soufflante et des aubes (30) de soufflante, ledit disque (10) comportant à sa périphérie des alvéoles (11) longitudinales de montage de pieds (31) desdites aubes (30) qui sont retenus dans ces alvéoles (11) par coopération de formes, caractérisé en ce qu’il comprend en outre des patins (40) viscoplastiques d’amortissement de vibrations, chacun de ces patins (40) étant intercalé entre un côté (32, 33) de chaque pied (31) d’aube (30) et une face (18, 19) du disque (10) en regard de ce pied (31).
Rotor (1) selon la revendication 1, dans lequel chaque patin (40) est intercalé entre un côté (32, 33) de chaque pied (31) d’aube (30) et une face (18, 19) de l’alvéole (11) du disque (10) en regard de ce pied (31).
Rotor (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel des patins (40) sont portés par le disque (10) de soufflante.
Rotor (1) selon la revendication 3, dans lequel les alvéoles (11) sont séparées les unes des autres par des dents (15) longitudinales du disque (10), les patins (40) étant fixés sur les dents (15).
Rotor (1) selon la revendication 4, dans lequel les dents (15) comprennent une patte en saillie de fixation (20) d’une plateforme (2) inter-aubes, les patins (40) étant fixés sur les pattes de fixation (20) des dents (15).
Rotor (1) selon la revendication 5, dans lequel les pattes de fixation (20) sont situées à des extrémités longitudinales aval (17) des dents (15).
Rotor (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel des patins (40) sont portés par des cales (50) intercalées entre les pieds (31) des aubes (30) et des fonds (14) des alvéoles (11).
Rotor (1) selon la revendication précédente, dans lequel chacune des cales (50) a une forme générale allongée et des bords longitudinaux incurvés (51, 52) sur chacun desquels s’étend et est fixé un patin (40).
Rotor (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les patins (40) sont fixés par collage.
Rotor (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel chaque pied (31) d’aubes (30) coopère avec un, deux ou trois patins (40).
Turbomachine d’aéronef, comportant un rotor (1) selon l’une des revendications précédentes.