FR3105290A1 - Ensemble pour turbomachine - Google Patents

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Abstract

Ensemble pour turbomachine comprenant une rangée annulaire d’aubes de stator d’axe (B) longitudinal comportant des aubes à calage variable comprenant chacune une pale radiale reliée à au moins une de ses extrémités à un pivot (28) s’étendant radialement et étant engagé en rotation autour de son axe (A) dans un anneau, caractérisé en ce que ledit pivot (28) comprend au moins une partie annulaire externe (42) élastiquement déformable entourant une partie annulaire centrale (38) présentant une rigidité supérieure à celle de la partie annulaire externe (42). Figure à publier avec l’abrégé : Figure n°6

Description

Ensemble pour turbomachine
Domaine technique de l’invention
La présente invention concerne un ensemble pour turbomachine, notamment pour un turboréacteur ou un turbopropulseur d’avion.
Etat de la technique antérieure
Une turbomachine peut comprendre un ou plusieurs compresseurs, comprenant une alternance de rangées annulaires d’aubes mobiles ou roues de rotor et de rangées annulaires d’aubes fixes de stator. Le terme « stator » dans l’expression « aube de stator » désigne une aube qui ne se déplace pas autour de l’axe longitudinal de la turbomachine. Les aubes de stator peuvent être du type à calage variable afin de régler leur position angulaire autour de leurs axes pour optimiser l’écoulement des gaz dans le moteur de la turbomachine.
La figure 1 représente une rangée annulaire d’aubes de stator 2 à calage variable pouvant être comprise dans une turbomachine, et en particulier dans un compresseur haute pression ou basse pression.
Chaque aube de stator 4 à calage variable comprend une pale 6 reliée à un pivot cylindrique 8, 14 à chacune de ses extrémités radialement internes externe, visibles sur les figures 1 à 3. Ces pivots interne et externe 8, 14 définissent un axe longitudinal A, visible sur la figure 2, axe de rotation de l’aube de stator 4 à calage variable et s’étendent respectivement radialement vers l’intérieur et radialement vers l’extérieur par rapport à l’axe longitudinal de la turbomachine qui correspond à l’axe autour duquel les pièces tournantes sont destinées à être mises en rotation.
Le pivot radialement externe 8 de chaque aube de stator à calage variable est fixé à anneau de commande 10. En particulier, pour chaque rangée annulaire d’aubes 2 de stator à calage variable, les pivots externes 8 sont reliés par une biellette 12 à un anneau de commande 10 monté autour d’un carter annulaire externe de la turbomachine et qui est lui-même relié par un levier à un arbre de commande actionné par un vérin.
Comme cela est visible sur la figure 2, le pivot interne 14 formé à l’extrémité radialement interne 14 de chaque aube 4 à calage variable est engagé dans un logement d’un anneau 16, aussi appelé virole annulaire interne. L’anneau 16 délimitant radialement vers l’intérieur la veine d’écoulement du flux d’air primaire et pouvant être sectorisé, comprend une pluralité de logements 18 régulièrement répartis autour de son axe de révolution. Chaque pivot interne 14 de chaque aube 4 de stator à calage variable est ainsi engagé en rotation autour de son axe A dans un des logements 18 de l’anneau 16.
Les aubes 4 de stator à calage variable comprennent en outre une platine 20 reliant la pale 6 au pivot radialement interne 14. Une fois les aubes 4 de stator à calage variable montées sur l’anneau 16, les platines 20 s’engagent dans des alésages 22 de l’anneau 16, coaxiaux aux logements 18 dans lesquels sont montés les pivots internes 14. Les surfaces radialement externes des platines 20 forment avec la face radialement externe de l’anneau une paroi délimitant radialement vers l’intérieur la veine annulaire d’écoulement du flux d’air primaire.
Les analyses mécaniques démontrent de fortes concentrations de contraintes statiques et dynamiques au niveau du pivot radialement interne 14 des aubes 4 de stator à calage variable. En effet, les efforts de pression aérodynamiques et de vibration appliqués sur l’anneau 16 contribuent à exercer des contraintes sur le pivot interne 14.
Cette situation peut conduire à l’affaiblissement de la pièce, à l’apparition de fissures, voir à la désolidarisation du pivot interne 14 de l’aube 4 de stator à calage variable.
La figure 3 illustre un ensemble 40 comprenant uniquement le pivot interne 14 d’une aube 4 de stator à calage variable selon la technique antérieure. Aucune autre pièce n’entoure le pivot. Ce dernier a alors tendance à s’user rapidement. La figure 4 illustre un ensemble 50 comprenant le pivot interne 14 d’une aube 4 de stator à calage variable selon la technique antérieure. L’ensemble 40 comprend ainsi le pivot interne 14 d’une aube 4 de stator à calage variable, ainsi qu’une pièce tubulaire 24, montée coaxialement autour du pivot 14.
La pièce tubulaire 24 est une douille cylindrique à rayon constant sur toute sa hauteur, assemblée frettée sur le pivot interne 14. Ainsi, la pièce tubulaire 24, montée serrée sur toute sa surface en contact avec le pivot 14, permet de limiter l’usure du pivot interne 14 des aubes 4 de stator à calage variable.
Néanmoins, les analyses mécaniques démontrent que les contraintes responsables des usures sur la pièce tubulaire 24 se concentrent principalement au niveau de deux zones de contact accélérant ainsi l’usure de la pièce tubulaire 24, en ces deux zones de contact.
L’invention a notamment pour but d’apporter une solution simple, efficace et économique au problème précité
A cette fin, le présent document propose un ensemble pour turbomachine comprenant une rangée annulaire d’aubes de stator d’axe longitudinal comportant des aubes à calage variable comprenant chacune une pale radiale reliée à au moins une de ses extrémités à un pivot s’étendant radialement et étant engagé en rotation autour de son axe dans un anneau, caractérisé en ce que ledit pivot comprend au moins une partie annulaire externe élastiquement déformable entourant une partie annulaire centrale présentant une rigidité supérieure à celle de la partie annulaire externe.
Contrairement à la technique antérieure où la pièce tubulaire était montée serrée sur toute sa surface en contact avec le pivot ou à l’utilisation d’un pivot seul, le présent document propose ici que le pivot comprenne une partie annulaire externe élastiquement déformable moins rigide que la partie annulaire centrale, cette partie annulaire externe permettant ainsi d’apporter de la souplesse à la liaison entre le pivot et l’anneau en réduisant les contraintes statiques. Cela autorise également un amortissement vis-à-vis des sollicitations vibratoires, ce qui est favorable à la tenue mécanique de la pièce et permet une augmentation de sa durée de vie.
Selon le présent document, ladite partie annulaire externe comprend au moins une portion en spirale, ladite au moins une portion en spirale étant relié à la partie annulaire centrale.
Cette forme évite ainsi qu’il n’y ait de fortes concentrations de contraintes statiques et dynamique au niveau du pivot.
La partie annulaire centrale peut comprendre une fente s’étendant selon l’axe du pivot dans laquelle est engagé à coulissement un ergot de la portion en spirale.
La partie annulaire centrale peut comprendre un cylindre creux comportant ladite fente.
Dans une réalisation particulière, une extrémité de la portion en spirale peut être sertie ou brasée sur la partie annulaire centrale. Plus spécifiquement, la fixation est réalisée entre l’ergot et la fente par sertissage ou brasage.
La partie annulaire externe peut comprendre une paroi annulaire externe reliée à la partie centrale par l’intermédiaire de ladite portion en spirale.
Dans une réalisation particulière, ladite paroi annulaire externe, ladite partie annulaire centrale et ladite au moins une portion en spirale peuvent être formées d’une seule pièce.
De plus, le pivot peut être réalisé par fusion laser, par électroérosion, ou par Moulage par Injection de Métal (MIM).
Ledit pivot peut être une pièce structurellement distincte d’une platine dans laquelle le pivot peut être fixé par exemple par frettage ou par scellement chimique.
Cela permet d’éviter les problèmes de frettage.
Ledit pivot peut être fixé dans un alésage de la platine.
Selon une autre caractéristique de l’invention, ladite partie annulaire centrale et ladite au moins une portion en spirale peuvent être formées en deux pièces.
Le présent document concerne également un compresseur de turbomachine, tel qu’un compresseur haute pression, caractérisé en ce qu’il comprend au moins un ensemble tel que décrit ci-dessus.
Le présent document concerne une turbomachine, telle qu’un turboréacteur ou un turbopropulseur, comprenant au moins un ensemble tel que défini ci-dessus ou un compresseur tel que défini au paragraphe précédent.
Brève description des figur0es
est une vue schématique en perspective et partielle d’une rangée annulaire d’aubes des stators ;
est une vue schématique en perspective d’une aube de stator à calage variable isolée et montée sur un anneau ;
est une vue coupe longitudinale d’un ensemble comprenant le pivot interne d’une aube de stator à calage variable selon la technique antérieure, et monté sur la platine ;
est une vue coupe longitudinale d’un ensemble comprenant le pivot interne sur lequel est monté serré la pièce tubulaire d’une aube de stator à calage variable selon la technique antérieure, et monté sur la platine ;
est une vue schématique en perspective d’un ensemble comprenant une aube montée sur une platine selon l’invention ;
comprend une partie a) nommée figure 6a qui est une vue schématique en perspective d’un pivot selon l’invention et une partie b) nommée figure 6b qui est une vue de dessous dudit pivot;
est une vue schématique en perspective d’un pivot selon l’invention monté sur une platine;
est une vue schématique en perspective d’une portion en spirale selon l’invention ;
est une vue schématique en perspective d’un cylindre creux selon l’invention ;
comprend une partie a) nommée figure 10a qui est une vue schématique en perspective d’un pivot selon l’invention et une partie b) nommée figure 10b qui est une vue de dessus dudit pivot.
Description détaillée de l’invention
On se réfère maintenant aux figures 5 et suivantes en relation avec l’invention, les figures 1 à 4 ayant déjà été décrites précédemment et concernent la technique connue. Cela étant, l’ensemble 60 décrit dans le présent document est destiné à être intégré dans une rangée annulaire à aubes à calage variable de la figure 1.
La figure 5 illustre une aube 4 de stator à calage variable d’axe A qui est perpendiculaire à l’axe longitudinal B. Cette aube 4 comprend une pale 6 radiale reliée à son extrémité radialement interne (par rapport à l’axe B) à une platine 20. Cette platine 20 est destinée à s’engager dans des alésages 22 de l’anneau 16 comme cela a été décrit en référence à la figure 2. Ladite platine 20 comprend, du côté opposé à l’aube, une face interne 26 au niveau de laquelle débouche un alésage 27 dans lequel est destiné à être monté un pivot 28.
Le pivot 28, illustré sur la figue 6, est un pivot interne puisqu’il est agencé à l’extrémité radialement interne de l’aube. Ce pivot 28 est destiné à être monté dans le logement 18 comme cela a été décrit en référence à la figure 2.
Ledit pivot 28 comprend une première portion 30 cylindrique et une seconde portion 32 également cylindrique coaxiales, la première portion 30 présentant un diamètre externe inférieur au diamètre externe de la seconde portion 32. La première portion 30 est montée serré par frettage dans l’alésage de la platine 20. A cette fin, on observe que l’extrémité libre de la première portion 30 comprend un chanfrein 34 annulaire permettant de faciliter le montage par frettage de la première portion 30 cylindrique dans l’alésage comme illustré en figure 7.
Dans la réalisation illustrée à la figure 6, la seconde portion 32 comprend une partie annulaire externe 42 qui est élastiquement déformable et une partie annulaire centrale 38 présentant une rigidité supérieure à la partie annulaire externe 42. Une portion en spirale 44 relie la partie annulaire centrale 38 à la paroi annulaire externe 36. Par portion en spirale 44, on entend un métal dont la courbure commence en un point central puis s’en éloigne de plus en plus, en même temps que la courbure tourne autour.
Dans cette réalisation, la paroi annulaire externe 36, la partie annulaire centrale 38 et la portion en spirale 44 ne forme qu’une seule et même pièce. La portion en spirale 44 peut être réalisée par électroérosion à partir d’un pivot initial obtenu par usinage. Il serait encore possible de fabriquer le pivot 28 par fabrication additive par exemple par fusion laser.
Le présent document concerne également une autre réalisation, illustré en figure 8, 9 et 10, d’un pivot 28 présentant également une partie annulaire externe 42 élastiquement déformable entourant une partie annulaire centrale 38 et présentant une rigidité supérieure à celle de la partie annulaire externe 42.
On notera que dans cette réalisation, le pivot 28 est réalisé à partir de plusieurs pièces distinctes deux à deux, à savoir une portion en spirale 44 autour de l’axe (A) du pivot 28 et une partie annulaire centrale 38. La portion en spirale 44 forme ici la partie annulaire externe 42, laquelle ne comprend pas de paroi annulaire externe 36. La portion en spirale 44 comprend une paroi en spirale 46 comportant une extrémité circonférentielle radialement externe 48 et une extrémité circonférentielle radialement interne 50. Cette paroi en spirale 46 est reliée à son extrémité circonférentielle radialement interne 50 à un ergot 52 s’étendant selon l’axe A du pivot et en direction radiale, c’est-à-dire vers l’axe A depuis ladite extrémité circonférentielle radialement interne 50 de la paroi en spirale 46 de la portion en spirale 44. L’ergot 52 s’étend sur une partie seulement de l’étendue axiale de ladite extrémité circonférentielle radialement interne 50.
Le pivot comprend un cylindre creux 54 ou portion tubulaire comportant une fente longiligne 56 d’axe A celui du pivot 28 et débouchante à une seule extrémité 58 dudit cylindre creux 54. La portion en spirale 44 présente une dimension selon l’axe A qui est inférieure à la dimension selon l’axe A du cylindre creux 54. Ainsi, le cylindre creux 54 ou portion tubulaire s’étend en saillie selon l’axe A par rapport à la portion en spirale 44 de manière à ce que cette partie en saillie 60 puisse être engagée avec un jeu glissant dans l’alésage 27 de la platine 20.
Cette partie en saillie 60 du cylindre creux 54 est ensuite fixé par collage dans l’alésage 27 de la platine 20.

Claims (10)

  1. Ensemble pour turbomachine comprenant une rangée annulaire d’aubes de stator (2) d’axe (B) longitudinal comportant des aubes (4) à calage variable comprenant chacune une pale (6) radiale reliée à au moins une de ses extrémités à un pivot (8, 28) s’étendant radialement et étant engagé en rotation autour de son axe (A) dans un anneau (16), caractérisé en ce que ledit pivot (28) comprend au moins une partie annulaire externe (42) élastiquement déformable entourant une partie annulaire centrale (38) présentant une rigidité supérieure à celle de la partie annulaire externe (42).
  2. Ensemble selon la revendication 1, dans lequel la partie annulaire externe (42) comprend au moins une portion en spirale (44) autour de l’axe (A) du pivot (8, 28), ladite au moins une portion en spirale (44) étant reliée à la partie annulaire centrale (38).
  3. Ensemble selon la revendication 2, dans lequel la partie annulaire centrale (38) comprend une fente (56) s’étendant selon l’axe du pivot (28) dans laquelle est engagé à coulissement un ergot (52) de la portion en spirale (44).
  4. Ensemble selon la revendication 3, dans lequel la partie annulaire centrale (38) comprend un cylindre creux (54) comportant ladite fente (56).
  5. Ensemble selon la revendication 2, dans lequel la partie annulaire externe (42) comprend une paroi annulaire externe (36) reliée à la partie annulaire centrale (38) par l’intermédiaire de ladite portion en spirale (44).
  6. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel ledit pivot (28) est réalisée par fusion laser, par électroérosion ou par Moulage par Injection de Métal.
  7. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel ledit pivot (28) est une pièce structurellement distincte d’une platine (20) dans laquelle le pivot (28) est fixé par exemple par frettage ou par scellement chimique.
  8. Ensemble selon la revendication 7, dans lequel ledit pivot (28) est fixé dans un alésage (27) de la platine.
  9. Compresseur de turbomachine, tel qu’un compresseur haute pression, caractérisé en ce qu’il comprend au moins un ensemble selon l’une des revendications précédentes.
  10. Turbomachine, telle qu’un turboréacteur ou un turbopropulseur, comprenant au moins un ensemble selon l’une des revendication 1 à 8 ou un compresseur selon la revendication 9.
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