FR3108048A1 - TURBOMACHINE PART BALANCING PROCESS AND DEVICE - Google Patents
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Abstract
TITRE : PROCEDE ET DISPOSITIF D’EQUILIBRAGE DE PIECE DE TURBOMACHINE L’invention concerne un dispositif (2) d’équilibrage de pièce tournante de turbomachine pour aéronef comprenant : un châssis (6) apte à recevoir la pièce tournante (1) mobile en rotation suivant un axe de rotation par rapport au châssis, la pièce tournante (1) étant équipée d’un cordon de matière (5), au moins un palier de guidage (9, 10) en rotation de la pièce tournante (1), un élément de mise en rotation (11) de la pièce tournante (1) autour de l’axe de rotation, et au moins un élément d’usinage (12) monté sur le châssis de manière mobile suivant un axe radial perpendiculaire à l’axe de rotation de la pièce tournante, l’élément d’usinage (12) étant configuré de manière à usiner le cordon de matière (5) lorsque la pièce tournante (1) se déplace vers l’élément d’usinage suivant une droite parallèle à une direction d’un vecteur (Vb) de balourd et à l’endroit du balourd. Figure pour l’abrégé : Figure 1TITLE: TURBOMACHINE PART BALANCING METHOD AND DEVICE The invention relates to a device (2) for balancing a turbomachine rotating part for an aircraft comprising: a frame (6) capable of receiving the rotating part (1) movable in rotation along an axis of rotation relative to the frame, the rotating part (1) being equipped with a bead of material (5), at least one guide bearing (9, 10) in rotation of the rotating part (1), a rotating element (11) of the rotating part (1) around the axis of rotation, and at least one machining element (12) mounted on the frame movably along a radial axis perpendicular to the axis of the rotating part, the machining element (12) being configured to machine the bead of material (5) when the rotating part (1) moves towards the machining element along a line parallel to a direction of an unbalance vector (Vb) and at the location of the unbalance. Figure for the abstract: Figure 1
Description
Domaine de l’inventionField of the invention
La présente invention concerne le domaine des turbomachines pour aéronef. Elle vise en particulier un dispositif d’équilibrage et un procédé d’équilibrage de pièces tournantes de turbomachine.The present invention relates to the field of turbomachines for aircraft. It relates in particular to a balancing device and a method for balancing rotating parts of a turbomachine.
Arrière-plan techniqueTechnical background
Une turbomachine pour aéronef comprend de manière générale une ou plusieurs pièces ou modules tournants connus sous le terme de rotors qui tournent autour d’un axe de rotation. Malgré tout le soin et la précision apportés lors de la conception et la fabrication des pièces tournantes de la turbomachine, certaines d’entre elles comportent des balourds qui peuvent pénaliser le fonctionnement de la turbomachine. Un balourd est une masse qui est répartie de manière non uniforme autour de l’axe de la pièce tournante. Cette dernière tourne généralement à des vitesses de l’ordre de plusieurs milliers de tours par minute. Un rotor comprenant un balourd engendre des vibrations, des efforts sur la turbomachine et ainsi une usure prématurée des pièces de la turbomachine.An aircraft turbomachine generally comprises one or more rotating parts or modules known by the term rotors which rotate about an axis of rotation. Despite all the care and precision taken in the design and manufacture of the rotating parts of the turbomachine, some of them contain unbalance which can penalize the operation of the turbomachine. An unbalance is a mass that is distributed unevenly around the axis of the rotating part. The latter generally rotates at speeds of the order of several thousand revolutions per minute. A rotor comprising an unbalance generates vibrations, forces on the turbomachine and thus premature wear of the parts of the turbomachine.
Il est connu d’utiliser des équilibreuses pour réaliser un équilibrage précis des rotors. De manière générale, l’opérateur installe un rotor sur un dispositif d’équilibrage qui l’entraîne en rotation, lit le résultat du contrôle sur le dispositif d’équilibrage ou sur un autre poste. S’il y a un balourd et que celui-ci excède les spécifications apportées par le concepteur, l’opérateur doit apporter une correction telle qu’un retrait de matière (usinage, etc...) ou par ajout de matière (masselottes ou autres). Le rotor corrigé est à nouveau contrôlé sur le dispositif d’équilibrage afin de vérifier que le balourd a été corrigé. Ces étapes vont se réitérer jusqu’à ce que la pièce soit bien équilibrée. Ces itérations sont chronophages et ont donc un certain coût.It is known to use balancers to achieve precise balancing of the rotors. In general, the operator installs a rotor on a balancing device which drives it in rotation, reads the result of the check on the balancing device or on another station. If there is an imbalance and this exceeds the specifications provided by the designer, the operator must make a correction such as material removal (machining, etc.) or by adding material (weights or others). The corrected rotor is checked again on the balancing device to verify that the unbalance has been corrected. These steps will be repeated until the piece is well balanced. These iterations are time consuming and therefore have a certain cost.
L’objectif de la présente invention est de réaliser facilement et automatiquement un équilibrage d’une pièce tournante de turbomachine tout en évitant les lectures et/ou diverses manipulations de la pièce sur un dispositif d’équilibrage.The objective of the present invention is to easily and automatically balance a rotating part of a turbomachine while avoiding readings and / or various manipulations of the part on a balancing device.
Nous parvenons à cet objectif conformément à l’invention grâce à un dispositif d’équilibrage de pièce tournante de turbomachine pour aéronef comprenant:We achieve this in accordance with the invention with an aircraft turbomachine rotating part balancing device comprising:
- un châssis apte à recevoir la pièce tournante mobile en rotation suivant un axe de rotation par rapport au châssis, la pièce tournante étant équipée d’un cordon de matière,a frame capable of receiving the rotating part which is movable in rotation along an axis of rotation relative to the chassis, the rotating part being equipped with a bead of material,
- au moins un palier de guidage en rotation de la pièce tournante,at least one rotating guide bearing for the rotating part,
- un élément de mise en rotation de la pièce tournante autour de l’axe de rotation,an element for rotating the rotating part around the axis of rotation,
- au moins un élément d’usinage monté sur le châssis de manière mobile suivant un axe radial perpendiculaire à l’axe de rotation de la pièce tournante, l’élément d’usinage étant configuré de manière à usiner le cordon de matière lorsque la pièce se déplace vers l’élément d’usinage suivant une droite parallèle à une direction d’un vecteur de balourd et à l’endroit du balourd.at least one machining element mounted on the frame movably along a radial axis perpendicular to the axis of rotation of the rotating part, the machining element being configured so as to machine the bead of material when the part is moves towards the machining element along a straight line parallel to a direction of an unbalance vector and to the location of the unbalance.
Ainsi, cette solution permet d’atteindre l’objectif susmentionné. En particulier, le dispositif utilise la «déformation» de la pièce tournante suivant une droite parallèle à vecteur de balourd, pour usiner le cordon de matière à l’endroit du balourd. Aucun moyen de mesure ni aucun moyen d’asservissement n’est nécessaire pour déterminer le balourd et pour équilibrer la pièce tournante de la turbomachine. De plus, cela évite les manipulations (lecture des informations concernant la correction sur un autre outillage, correction du balourd, déplacement de la pièce sur l’outillage devant corriger, etc. jusqu’à équilibrage complet), notamment lorsque la pièce tournante de la turbomachine est relativement lourde et volumineuse. Le cordon de matière est usiné à chaque passage près de l’élément d’usinage jusqu’à ce que la pièce ne se «déforme» plus pendant la rotation. S’il n’y a pas de défaut, il n’y a pas de déformation de la pièce, soit pas de correction de balourd.Thus, this solution achieves the above objective. In particular, the device uses the "deformation" of the rotating part along a line parallel to the unbalance vector, to machine the bead of material at the location of the unbalance. No measuring means or any control means are necessary to determine the unbalance and to balance the rotating part of the turbomachine. In addition, this avoids handling (reading information concerning the correction on another tool, correcting the unbalance, moving the part on the tool to correct, etc. until complete balancing), in particular when the rotating part of the turbomachine is relatively heavy and bulky. The bead of material is machined with each pass near the machining element until the part no longer "deforms" during rotation. If there is no defect, there is no deformation of the part, ie no unbalance correction.
Dans la présente description, nous entendons par les termes «déformé(e)» et «déformation», un déplacement de l’axe de la pièce tournante par rapport à un axe de rotation de celle-ci lorsque celle-ci est mise en rotation.In the present description, by the terms “deformed” and “deformation” we mean a displacement of the axis of the rotating part relative to an axis of rotation of the latter when the latter is set in rotation. .
Le dispositif comprend également l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison:The device also includes one or more of the following features, taken alone or in combination:
- la rotation de la pièce crée un déplacement suivant le sens du vecteur de balourd avec une rotation à basse vitesse.the rotation of the part creates a displacement in the direction of the unbalance vector with a rotation at low speed.
- la rotation de la pièce crée un déplacement suivant un sens opposé à celui du vecteur de balourd avec une rotation à haute vitesse.the rotation of the part creates a displacement in a direction opposite to that of the unbalance vector with a high speed rotation.
- l’élément d’usinage se déplace en translation suivant l’axe radial à une vitesse comprise entre 10 et 500 µm/s.the machining element moves in translation along the radial axis at a speed between 10 and 500 µm / s.
- l’élément d’usinage comprend un élément abrasif tel qu’une meule.the machining element includes an abrasive element such as a grinding wheel.
- l’élément de mise en rotation est un moteur.the rotating element is a motor.
- l’élément d’usinage est agencé à l’extérieur de la pièce tournante.the machining element is arranged outside the rotating part.
- l’élément d’usinage est apte à être agencé à l’intérieur de la pièce tournante.the machining element is suitable for being arranged inside the rotating part.
- l’élément d’usinage est unique.the machining element is unique.
- l’élément d’usinage est immobile en rotation.the machining element is stationary in rotation.
L’invention concerne également un procédé d’équilibrage d’une pièce tournante de turbomachine pour aéronef, le procédé comprenant les étapes suivantes:The invention also relates to a method for balancing a rotating part of an aircraft turbomachine, the method comprising the following steps:
- installation de la pièce tournante qui est creuse et qui est équipée d’un cordon de matière sur un dispositif d’équilibrage présentant l’une quelconque des caractéristiques précédentes,installation of the rotating part which is hollow and which is equipped with a bead of material on a balancing device having any of the preceding characteristics,
- mise en rotation de la pièce tournante suivant un axe de rotation à une fréquence de rotation différente d’une fréquence du mode de vibration prédéterminée du dispositif d’équilibrage et de la pièce tournante, etrotating the rotating part along an axis of rotation at a frequency of rotation different from a frequency of the predetermined vibration mode of the balancing device and of the rotating part, and
- équilibrage de la pièce tournante par usinage d’une portion du cordon de matière lorsque la pièce tournante se déplace vers l’élément d’usinage suivant une direction correspondant à un vecteur de balourd et à l’endroit du balourd.balancing the rotating part by machining a portion of the bead of material as the rotating part moves toward the machining element in a direction corresponding to an unbalance vector and the location of the unbalance.
Le procédé comprend également l’une ou plusieurs des caractéristiques ou étapes suivantes, prises seules ou en combinaison:The method also includes one or more of the following characteristics or steps, taken alone or in combination:
- l’élément d’usinage se déplace en translation suivant l’axe radial R à une vitesse comprise entre 10 et 500 µm/s.the machining element moves in translation along the radial axis R at a speed between 10 and 500 µm / s.
- le cordon de matière est disposé sur une surface non fonctionnelle de la pièce tournante et en regard de l’élément d’usinage.the bead of material is disposed on a non-functional surface of the rotating part and facing the machining element.
- la fréquence de rotation de la pièce tournante dépend de la position du cordon de matière sur la pièce tournante.the frequency of rotation of the rotating part depends on the position of the bead of material on the rotating part.
- la fréquence de rotation est basée sur le premier mode de flexion.the frequency of rotation is based on the first bending mode.
- la valeur de la fréquence de mode de vibration prédéterminée est enregistrée dans une mémoire d’une unité électronique de commande.the value of the predetermined vibration mode frequency is stored in a memory of an electronic control unit.
- la pièce tournante est agencée de manière que le cordon de matière soit disposé en regard de l’élément d’usinage.the rotating part is arranged so that the bead of material is disposed opposite the machining element.
- le cordon de matière est disposé sur une surface radialement externe de la pièce tournante.the bead of material is disposed on a radially outer surface of the rotating part.
- le cordon de matière est disposé sur une surface radialement interne de la pièce tournante.the bead of material is disposed on a radially internal surface of the rotating part.
- la pièce tournante tourne à une fréquence de rotation inférieure à la fréquence du mode de vibration prédéterminée si le cordon de matière est disposé sur une surface radialement externe de la pièce tournante.the rotating part rotates at a rotational frequency lower than the predetermined vibration mode frequency if the bead of material is disposed on a radially outer surface of the rotating part.
- la pièce tournante tourne à une fréquence de rotation supérieure à la fréquence du mode de vibration prédéterminée si le cordon de matière est disposé sur une surface radialement interne de la pièce tournante.the rotating part rotates at a frequency of rotation higher than the frequency of the predetermined vibration mode if the bead of material is disposed on a radially internal surface of the rotating part.
L’invention concerne enfin une pièce tournante de turbomachine ayant subi un équilibrage selon le procédé tel que susmentionné.Finally, the invention relates to a rotating part of a turbomachine which has undergone balancing according to the method as mentioned above.
L’invention concerne en outre une turbomachine d’aéronef comprenant au moins une pièce tournante de turbomachine équilibrée selon le procédé d’équilibrage tel que susmentionné. La turbomachine peut être un turbopropulseur ou un turboréacteur.The invention further relates to an aircraft turbomachine comprising at least one rotating part of a turbomachine balanced according to the balancing method as mentioned above. The turbomachine can be a turboprop or a turbojet.
Brève description des figuresBrief description of the 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 dans lesquels:The invention will be better understood, and other aims, details, characteristics and advantages thereof will emerge more clearly on reading the detailed explanatory description which follows, of embodiments of the invention given by way of illustration. purely illustrative and non-limiting examples, with reference to the appended schematic drawings in which:
Description détaillée de l’inventionDetailed description of the invention
La figure 1 représente une pièce tournante de turbomachine et en particulier de turbomachine d’aéronef. La turbomachine peut être un turboréacteur ou encore un turbopropulseur.FIG. 1 represents a rotating part of a turbomachine and in particular of an aircraft turbomachine. The turbomachine can be a turbojet or even a turboprop.
La pièce tournante 1 qui est destinée à équiper la turbomachine est montée sur un dispositif 2 d’équilibrage en vue de l’équilibrer.The rotating part 1 which is intended to equip the turbomachine is mounted on a balancing device 2 with a view to balancing it.
La turbomachine comprend une ou plusieurs pièces tournantes ou rotors tels que des arbres de turbomachine (arbre basse pression, arbre haute pression, arbre de turbine libre, arbre de soufflante), des carters de turbomachine, des disques de turbomachine, des viroles, etc. La pièce tournante est réalisée d’une seule pièce (ou venue de matière). Alternativement, la pièce tournante est formée de plusieurs éléments qui ont été assemblés ensemble (par exemple un disque avec au moins un étage d’aubes qui s’étendent radialement depuis la périphérie du disque.The turbomachine comprises one or more rotating parts or rotors such as turbomachine shafts (low pressure shaft, high pressure shaft, free turbine shaft, fan shaft), turbomachine housings, turbomachine disks, ferrules, etc. The rotating part is made from a single piece (or from one piece). Alternatively, the rotating part is formed from several elements which have been assembled together (eg a disc with at least one stage of blades which extend radially from the periphery of the disc.
Bien entendu, l’invention s’applique à toute pièce mécanique susceptible de tourner à des vitesses très élevées telles que plusieurs milliers de tours par minutes. Avec de telles vitesses, la pièce tournante doit être parfaitement équilibrée pour éviter des vibrations, des bruits, etc. de sorte à garantir une performance optimale de la turbomachine.Of course, the invention applies to any mechanical part capable of rotating at very high speeds such as several thousand revolutions per minute. With such speeds, the rotating part must be perfectly balanced to avoid vibrations, noise, etc. so as to guarantee optimum performance of the turbomachine.
Par les termes «équilibrer» ou «équilibrage» nous entendons dans la présente invention le fait de compenser des balourds existant sur des pièces de turbomachine par ajout ou retrait de matière. Préférentiellement, dans la présente invention, l’équilibrage est réalisé par un retrait de matière.By the terms “balancing” or “balancing” we mean in the present invention the fact of compensating for unbalances existing on turbomachine parts by adding or removing material. Preferably, in the present invention, the balancing is carried out by removing material.
Avantageusement, mais non limitativement, la pièce tournante tourne autour d’un axe longitudinal X (pouvant être coaxial avec l’axe de la turbomachine en situation d’installation dans la turbomachine). Comme nous pouvons le voir sur la figure 1, la pièce tournante 1 est de préférence, mais non limitativement, une pièce creuse. Celle-ci comprend une surface radialement externe 3 et une surface radialement interne 4 opposées suivant un axe radial R perpendiculaire l’axe longitudinal X.Advantageously, but without limitation, the rotating part rotates around a longitudinal axis X (which may be coaxial with the axis of the turbomachine when installed in the turbomachine). As we can see in Figure 1, the rotating part 1 is preferably, but not limited to, a hollow part. This comprises a radially outer surface 3 and a radially inner surface 4 opposed along a radial axis R perpendicular to the longitudinal axis X.
La pièce tournante 1 comprend un cordon de matière 5 sur une surface non fonctionnelle de celle-ci. Les dimensions du cordon seront dépendantes du balourd maximal de correction nécessaire, et donc de la qualité de la fabrication du rotor tournant. En d’autres termes, en fonction de l’application de la pièce tournante, des dimensions de celle-ci, voire du fabricant, la pièce tournante peut avoir un balourd maximal toléré. La surface non fonctionnelle peut être la surface radialement externe comme cela est représenté sur les figures 1 et 2 ou sur la surface radialement interne comme cela est représenté sur la figure 3. L’agencement du cordon de matière 5 sur la pièce tournante dépend par exemple de l’encombrement de l’environnement où sera montée la pièce dans la turbomachine. De la sorte, si la pièce tournante est destinée à être montée dans une zone très encombrée de la turbomachine, le cordon de matière 5 sera prévu à l’intérieur de la pièce tournante et ainsi sur la surface radialement interne 4. Cet agencement peut dépendre également de la capacité de rotation d’un l’élément de mise en rotation 11 décrit ci-après en regard de la fréquence d’un premier mode de flexion de la pièce à équilibrer.The rotating part 1 comprises a bead of material 5 on a non-functional surface thereof. The dimensions of the bead will depend on the maximum correction unbalance required, and therefore on the quality of the manufacture of the rotating rotor. In other words, depending on the application of the rotating part, its dimensions, or even the manufacturer, the rotating part may have a maximum permissible unbalance. The non-functional surface may be the radially outer surface as shown in Figures 1 and 2 or on the radially inner surface as shown in Figure 3. The arrangement of the bead of material 5 on the rotating part depends for example the size of the environment where the part will be mounted in the turbomachine. In this way, if the rotating part is intended to be mounted in a very congested area of the turbomachine, the bead of material 5 will be provided inside the rotating part and thus on the radially internal surface 4. This arrangement may depend on also of the rotational capacity of a rotating element 11 described below with regard to the frequency of a first bending mode of the part to be balanced.
Le cordon de matière 5 est également réalisé d’un seul tenant avec la pièce tournante. En d’autres termes, le cordon de matière 5 et la pièce tournante 1 sont venus de matière.The bead of material 5 is also made in one piece with the rotating part. In other words, the bead of material 5 and the rotating part 1 have come together.
La pièce tournante est réalisée dans un matériau métallique.The rotating part is made of a metallic material.
Comme nous pouvons le voir sur la figure 1, le dispositif d’équilibrage 2 comprend un châssis ou bâti 6 qui est destiné à recevoir la pièce tournante 1. Cette dernière est destinée à tourner autour de son axe longitudinal X et par rapport au châssis (qui est alors fixe). La pièce tournante 1 ici est un arbre creux (tel qu’un arbre basse pression ou haute pression de la turbomachine) qui s’étend suivant l’axe longitudinal entre une première extrémité 7 et une deuxième extrémité 8. A cet effet, le dispositif 2 comprend au moins un palier de guidage configuré pour guider en rotation la pièce tournante. Dans le présent exemple, deux paliers de guidage sont supportés par le châssis. Un premier palier 9 est situé au niveau de la première extrémité 7 de l’arbre et un deuxième palier 10 est situé au niveau de la partie médiane de l’arbre (entre la première extrémité et la deuxième extrémité). Alternativement, le deuxième palier 10 est placé au niveau de la deuxième extrémité 8 de l’arbre.As we can see in Figure 1, the balancing device 2 comprises a frame or frame 6 which is intended to receive the rotating part 1. The latter is intended to rotate around its longitudinal axis X and relative to the frame ( which is then fixed). The rotating part 1 here is a hollow shaft (such as a low pressure or high pressure shaft of the turbomachine) which extends along the longitudinal axis between a first end 7 and a second end 8. For this purpose, the device 2 comprises at least one guide bearing configured to guide the rotating part in rotation. In the present example, two guide bearings are supported by the frame. A first bearing 9 is located at the level of the first end 7 of the shaft and a second bearing 10 is located at the level of the middle part of the shaft (between the first end and the second end). Alternatively, the second bearing 10 is placed at the level of the second end 8 of the shaft.
Le dispositif d’équilibrage 2 comprend un élément de mise en rotation 11 de la pièce tournante. L’élément de mise en rotation 11 dans le présent exemple est un moteur qui est configuré de manière à entraîner en rotation l’arbre creux autour de son axe longitudinal X à une vitesse prédéterminée. Le moteur peut être un moteur thermique ou moteur électrique. Le moteur est avantageusement fixé au châssis 6 du dispositif d’équilibrage. La vitesse prédéterminée est de l’ordre d’une centaine de tours par minute.The balancing device 2 comprises a rotating element 11 for setting the rotating part. The rotator 11 in the present example is a motor which is configured to rotate the hollow shaft about its longitudinal axis X at a predetermined speed. The motor can be a heat engine or an electric motor. The motor is advantageously fixed to the frame 6 of the balancing device. The predetermined speed is of the order of a hundred revolutions per minute.
Au moins un élément d’équilibrage est monté sur le châssis de manière à corriger le ou les balourds de la pièce tournante 1. Dans le présent exemple, l’élément d’équilibrage comprend un élément d’usinage 12 configuré de manière à usiner le cordon de matière 5 de la pièce tournante 1 en cas de balourd. L’élément d’usinage 12 est monté sur le châssis 6 de manière à être orienté vers la surface non fonctionnelle de la pièce tournante.At least one balancing element is mounted on the frame so as to correct the unbalance (s) of the rotating part 1. In the present example, the balancing element comprises a machining element 12 configured so as to machine the bead of material 5 of the rotating part 1 in the event of an unbalance. The machining element 12 is mounted on the frame 6 so as to be oriented towards the non-functional surface of the rotating part.
Les paliers de guidage 9, 10 sont avantageusement éloignés de l’élément d’usinage 12.The guide bearings 9, 10 are advantageously remote from the machining element 12.
L’élément d’usinage 12 est avantageusement monté mobile suivant un axe perpendiculaire à l’axe longitudinal de rotation de la pièce tournante. Cependant, l’élément d’usinage est immobilisé en rotation par rapport au châssis. Il s’agit dans le présent exemple d’une translation suivant l’axe radial R. Avantageusement encore, l’élément d’usinage 12 comprend un élément abrasif tel qu’une meule 15. Cette dernière s’étend depuis une extrémité distale du châssis suivant l’axe radial. La meule 15 présente dans le présent exemple une forme générale conique de révolution dont le sommet (ou pointe) orientée vers le cordon de matière présente une faible surface de contact. La meule 15 est suffisamment fine pour maîtriser la correction du balourd et ici le retrait de matière au niveau du cordon de matière 5. La surface de contact entre la pièce tournante et la meule est réduite de manière à garantir un équilibrage précis du balourd. En particulier, la taille de la meule 15 doit être adaptée aux tolérances sur le balourd.The machining element 12 is advantageously mounted to move along an axis perpendicular to the longitudinal axis of rotation of the rotating part. However, the machining element is immobilized in rotation relative to the frame. In the present example, this is a translation along the radial axis R. Also advantageously, the machining element 12 comprises an abrasive element such as a grinding wheel 15. The latter extends from a distal end of the grinding wheel. frame along the radial axis. The grinding wheel 15 has in the present example a generally conical shape of revolution, the apex (or point) of which oriented towards the bead of material has a small contact surface. The grinding wheel 15 is thin enough to control the correction of the unbalance and here the removal of material at the level of the material bead 5. The contact surface between the rotating part and the grinding wheel is reduced so as to guarantee precise balancing of the unbalance. In particular, the size of the grinding wheel 15 must be adapted to the tolerances on the unbalance.
Nous allons maintenant décrire le fonctionnement du procédé d’équilibrage de la pièce tournante en relation avec les figures 2a, 2b, 2c, 3a, 3b et 3c. L’avantage de ce procédé est que si la pièce tournante 1 présente un balourd, celle-ci va se déformer suivant une droite parallèle à la direction du balourd et le dispositif d’équilibrage 2 pourra équilibrer ou corriger automatiquement le balourd en usinant le cordon de matière 5 à l’endroit du balourd.We will now describe the operation of the rotating part balancing process in relation to Figures 2a, 2b, 2c, 3a, 3b and 3c. The advantage of this method is that if the rotating part 1 has an unbalance, it will deform along a straight line parallel to the direction of the unbalance and the balancing device 2 can automatically balance or correct the unbalance by machining the bead. of material 5 at the point of unbalance.
Comme nous allons le voir par la suite, l’usinage dépend de la vitesse de rotation de la pièce tournante et de la fréquence du mode de vibration.As we will see later, machining depends on the speed of rotation of the rotating part and the frequency of the vibration mode.
Pour cela, la pièce tournante 1 équipée du cordon de matière 5 est installée sur le dispositif d’équilibrage 2 décrit précédemment. Le cordon de matière 5 est annulaire. La pièce 1 se trouve dans une position neutre c’est-à-dire que son axe longitudinal O est coaxial avec l’axe de rotation du moteur comme cela est visible sur la figure 2a en particulier.For this, the rotating part 1 equipped with the bead of material 5 is installed on the balancing device 2 described above. The bead of material 5 is annular. Part 1 is in a neutral position, that is to say that its longitudinal axis O is coaxial with the axis of rotation of the motor as can be seen in FIG. 2a in particular.
Le dispositif d’équilibrage 2 et la pièce tournante 1 équipée du cordon de matière 5 présentent un mode propre ω de vibration prédéterminé et une fréquence fo du mode propre de vibration prédéterminé (pour une vitesse de rotation prédéterminée). Nous considérons ici uniquement le mode propre de flexion et la fréquence du mode propre de flexion de l’ensemble dispositif d’équilibrage et pièce tournante. S’agissant du dispositif d’équilibrage, nous considérons principalement le châssis 6.The balancing device 2 and the rotating part 1 equipped with the bead of material 5 have a predetermined natural mode ω of vibration and a frequency fo of the predetermined natural mode of vibration (for a predetermined speed of rotation). We consider here only the natural bending mode and the frequency of the natural bending mode of the balancing device and rotating part assembly. Regarding the balancing device, we mainly consider chassis 6.
Bien entendu, l’ensemble (dispositif d’équilibrage et pièce tournante) peut être soumis à d’autres modes propres de vibration associés à des fréquences de modes propres de vibration tels que des modes de torsion, etc.Of course, the assembly (balancing device and rotating part) can be subjected to other natural modes of vibration associated with frequencies of natural modes of vibration such as torsion modes, etc.
Le mode propre (de flexion) et la fréquence du mode propre prédéterminée sont connus de l’opérateur et/ou sont enregistrés dans une unité électronique de commande du dispositif d’équilibrage. En particulier, la valeur de la fréquence du mode de vibration prédéterminée est enregistrée dans une mémoire de l’unité électronique de commande. Avantageusement, mais non limitativement, ces modes et fréquences sont obtenus préalablement par calcul. Des essais peuvent ensuite avoir lieu afin de confirmer les valeurs obtenues par calcul. Il est entendu comme nous le verrons plus tard que si l’usinage est réalisé par l’extérieur alors la fréquence de rotation doit être inférieure à la fréquence du mode de vibration et si l’usinage est réalisé par l’intérieur alors la fréquence de rotation doit être supérieure à la fréquence du mode de vibration.The eigenmode (bending) and the predetermined eigenmode frequency are known to the operator and / or are recorded in an electronic control unit of the balancing device. In particular, the value of the predetermined vibration mode frequency is stored in a memory of the electronic control unit. Advantageously, but without limitation, these modes and frequencies are obtained beforehand by calculation. Tests can then take place to confirm the values obtained by calculation. It is understood as we will see it later that if the machining is carried out from the outside then the frequency of rotation must be lower than the frequency of the vibration mode and if the machining is carried out from the inside then the frequency of rotation must be greater than the frequency of the vibration mode.
Préalablement à la mise en rotation de la pièce tournante, le déplacement (et donc la vitesse de rotation) est nul (égal à 0) comme nous pouvons le voir sur les figures 2a et 3a. Dans cet état, le défaut de la pièce est inconnu, en particulier, l’opérateur ne sait pas s’il y a un balourd.Prior to the rotation of the rotating part, the displacement (and therefore the speed of rotation) is zero (equal to 0) as we can see in FIGS. 2a and 3a. In this state, the fault of the part is unknown, in particular, the operator does not know if there is an imbalance.
La pièce tournante 1 est ensuite mise en rotation à une fréquence de rotation f différente (supérieure ou inférieure) de la fréquence du mode de vibration fo (mode propre de flexion) prédéterminée de l’ensemble (dispositif d’équilibrage avec la pièce tournante). Dans cet exemple de réalisation, la fréquence de rotation de la pièce tournante dépend de la position du cordon de matière 5 sur la pièce tournante. A cet effet, l’opérateur établira une étape de vérification de la position du cordon de matière sur la pièce tournante avant la mise en rotation de celle-ci.The rotating part 1 is then rotated at a rotation frequency f different (higher or lower) from the frequency of the vibration mode fo (natural bending mode) of the assembly (balancing device with the rotating part) . In this exemplary embodiment, the frequency of rotation of the rotating part depends on the position of the bead of material 5 on the rotating part. To this end, the operator will establish a step of verifying the position of the bead of material on the rotating part before it is rotated.
Le procédé comprend une étape d’équilibrage de la pièce par usinage d’une portion du cordon de matière 5 à l’endroit d’une déformation de la pièce correspondant à un balourd.The method comprises a step of balancing the part by machining a portion of the bead of material 5 at the location of a deformation of the part corresponding to an unbalance.
Dans le cas des figures 2a à 2c, la pièce comprend un balourd 13 (représenté schématiquement par un surplus de matière) qui est situé vers l’intérieur de l’arbre (la pièce tournante 1) et le cordon de matière 5 se trouve, comme nous l’avons vu précédemment, sur une portion de la surface radialement externe 3 de l’arbre creux. Le balourd 13 est situé à midi (par analogie au cadran d’une horloge) sur la surface radialement externe 3 de l’arbre (par analogie au cadran d’une horloge). Sur la figure 2a, l’axe de l’arbre est dans une position neutre (c’est-à-dire que l’axe de l’arbre est coaxial avec l’axe du moteur). L’arbre est mise en rotation par le moteur et à basse vitesse par rapport à la meule 15. Dans ce cas, la fréquence de rotation f est non nulle. La fréquence de rotation f de la pièce tournante est inférieure à la fréquence du mode de vibration fo du dispositif d’équilibrage et de l’arbre creux. La meule 15 s’étend radialement à l’extérieur de l’arbre.In the case of Figures 2a to 2c, the part comprises an unbalance 13 (shown schematically by a surplus of material) which is located towards the inside of the shaft (the rotating part 1) and the bead of material 5 is located, as we have seen previously, on a portion of the radially outer surface 3 of the hollow shaft. The unbalance 13 is located at noon (by analogy to the face of a clock) on the radially outer surface 3 of the shaft (by analogy to the face of a clock). In Figure 2a, the axis of the shaft is in a neutral position (that is, the axis of the shaft is coaxial with the axis of the motor). The shaft is rotated by the motor and at low speed relative to the grinding wheel 15. In this case, the frequency of rotation f is not zero. The frequency of rotation f of the rotating part is lower than the frequency of the vibration mode fo of the balancing device and the hollow shaft. The grinding wheel 15 extends radially outside the shaft.
Dans le repère tournant du dispositif d’équilibrage, l’ensemble pièce tournante et dispositif d’équilibrage se déplacent suivant une droite D parallèle à la direction du balourd de la pièce tournante (puisque le dispositif d’équilibrage est très bien équilibré). En effet l’équilibrage du dispositif est inférieur à 1 centimètre gramme. La meule ici se rapproche de la pièce tournante, par l’extérieur de celle-ci, en vis-à-vis du cordon de matière 5 et de manière simultanée. De même, l’axe O (qui est aussi l’axe X) de rotation de l’arbre se déplace suivant une direction définissant le vecteur Vb du balourd. Nous pouvons dire que la pièce se déforme suivant le sens du vecteur Vb du balourd pendant la rotation de celle-ci. L’axe de rotation après déformation O’ est décalé radialement de l’axe O. Un mode est innée à une pièce qu’il y ait balourd ou non. En revanche, la présence d’un balourd amplifie le mode, donc sa déformée. Il est à noter que la meule se déplace mais à une échelle de temps bien supérieure à la rotation de l’arbre. A titre d’exemple, la meule se déplace en translation suivant l’axe radial R à une vitesse comprise entre 10 et 500 µm/s. Les déplacements de la meule et de l’arbre sont indépendants l’un de l’autre. Le cordon de matière est usiné tant que la pièce se déforme pendant la rotation.In the rotating frame of the balancing device, the rotating part and balancing device assembly move along a line D parallel to the direction of the unbalance of the rotating part (since the balancing device is very well balanced). In fact, the balancing of the device is less than 1 gram centimeter. The grinding wheel here approaches the rotating part, from the outside thereof, opposite the bead of material 5 and simultaneously. Likewise, the axis O (which is also the axis X) of rotation of the shaft moves in a direction defining the vector Vb of the unbalance. We can say that the part is deformed according to the direction of the vector Vb of the unbalance during the rotation of this one. The axis of rotation after deformation O "is radially offset from the axis O. A mode is innate to a part whether there is unbalance or not. On the other hand, the presence of an unbalance amplifies the mode, and therefore its distortion. It should be noted that the grinding wheel moves but at a time scale much greater than the rotation of the shaft. For example, the grinding wheel moves in translation along the radial axis R at a speed between 10 and 500 µm / s. The movements of the grinding wheel and the shaft are independent of each other. The bead of material is machined as long as the part deforms during rotation.
Sur la figure 2c, le contact entre la meule et l’arbre s’est réalisé dans la direction du balourd de la pièce. Le déplacement ou la déformation après usinage devient nul(le) car le balourd a été corrigé. Le cordon de matière 5 comprend un usinage 14 localisé et l’arbre est corrigé. L’arbre se recentre sur l’axe de rotation du moteur et l’usinage cesse.In Figure 2c, the contact between the grinding wheel and the shaft is in the direction of the workpiece unbalance. The displacement or the deformation after machining becomes zero because the unbalance has been corrected. The bead of material 5 includes localized machining 14 and the shaft is corrected. The shaft refocuses on the axis of rotation of the motor and machining ceases.
Dans le mode de réalisation des figures 3a à 3c, le cordon de matière 5 se trouve sur la surface radialement interne de l’arbre creux et un balourd 13 se trouve au voisinage d’une portion de la surface radialement interne 4. La meule est installée à l’intérieur de l’arbre.In the embodiment of FIGS. 3a to 3c, the bead of material 5 is located on the radially internal surface of the hollow shaft and an unbalance 13 is located in the vicinity of a portion of the radially internal surface 4. The grinding wheel is installed inside the shaft.
Sur la figure 3a, l’axe longitudinal X de rotation de l’arbre est dans la position neutre. Le balourd est situé à midi sur la surface radialement externe de l’arbre (par analogie au cadran d’une horloge). La figure 3b montre l’arbre qui est mise en rotation autour de son axe à haute vitesse par rapport à la meule 15. Dans ce cas, la fréquence de rotation f de l’arbre est supérieure à la fréquence du mode de vibration fo du dispositif d’équilibrage et de la pièce tournante de turbomachine. La pièce tournante se déforme suivant un sens opposé à celui-du vecteur Vb du balourd. Simultanément, la meule ici se rapproche de la surface radialement interne, en vis-à-vis du cordon de matière 5 suivant un déplacement radial. Le contact entre la meule et l’arbre (en particulier le cordon de matière 5) à équilibrer est réalisé dans la direction du vecteur Vb balourd. Sur la figure 3c, le cordon de matière comprend un usinage localisé 14 dans la direction du balourd. L’arbre et la meule sont recentrés sur l’axe de rotation du moteur.In Figure 3a, the longitudinal axis X of rotation of the shaft is in the neutral position. The unbalance is located at noon on the radially outer surface of the shaft (by analogy with a clock face). Figure 3b shows the shaft which is rotated around its axis at high speed relative to the grinding wheel 15. In this case, the rotation frequency f of the shaft is greater than the frequency of the vibration mode fo of the grinding wheel. balancing device and the rotating part of a turbomachine. The rotating part is deformed in a direction opposite to that of the unbalance vector Vb. Simultaneously, the grinding wheel here approaches the radially internal surface, opposite the bead of material 5 following a radial displacement. The contact between the grinding wheel and the shaft (in particular the bead of material 5) to be balanced is made in the direction of the unbalance vector Vb. In FIG. 3c, the bead of material comprises localized machining 14 in the direction of the unbalance. The shaft and the grinding wheel are re-centered on the axis of rotation of the motor.
Sur la figure 4, nous voyons que tant que la fréquence de rotation de la pièce est bien inférieure à la fréquence du mode de vibration de la pièce tournante, le déplacement de la pièce tournante (ici l’arbre creux) est en phase avec le balourd. Au-dessus de la fréquence de vibration, le déplacement de la meule est en opposition de phase avec le balourd. Selon les contraintes (spatiales par exemple), le cordon de matière 5 peut être placé à l’intérieur ou à l’extérieur de la pièce tournante. En fonction du choix, il faudra que la pièce tournante tourne à une fréquence inférieure à f0 (cordon à l’extérieur) ou supérieure à f0 (cordon à l’intérieur).
In figure 4, we see that as long as the frequency of rotation of the part is much lower than the frequency of the vibration mode of the rotating part, the displacement of the rotating part (here the hollow shaft) is in phase with the unbalance. Above the vibration frequency, the movement of the grinding wheel is out of phase with the unbalance. Depending on the constraints (spatial for example), the bead of material 5 can be placed inside or outside the rotating part. Depending on the choice, the rotating part will have to turn at a frequency lower than f0 (bead outside) or greater than f0 (bead inside).
Claims (10)
- un châssis (6) apte à recevoir la pièce tournante (1) mobile en rotation suivant un axe de rotation X par rapport au châssis, la pièce tournante (1) étant équipée d’un cordon de matière (5),
- au moins un palier de guidage (9, 10) en rotation de la pièce tournante (1),
- un élément de mise en rotation (11) de la pièce tournante (1) autour de l’axe de rotation, et
- au moins un élément d’usinage (12) monté sur le châssis de manière mobile suivant un axe radial R perpendiculaire à l’axe de rotation de la pièce tournante, l’élément d’usinage (12) étant configuré de manière à usiner le cordon de matière (5) lorsque la pièce tournante (1) se déplace vers l’élément d’usinage suivant une droite parallèle à une direction d’un vecteur (Vb) de balourd et à l’endroit du balourd.
- a frame (6) capable of receiving the rotating part (1) movable in rotation along an axis of rotation X relative to the frame, the rotating part (1) being equipped with a bead of material (5),
- at least one guide bearing (9, 10) in rotation of the rotating part (1),
- an element for rotating (11) the rotating part (1) around the axis of rotation, and
- at least one machining element (12) mounted on the frame movably along a radial axis R perpendicular to the axis of rotation of the rotating part, the machining element (12) being configured so as to machine the bead of material (5) when the rotating part (1) moves towards the machining element along a straight line parallel to a direction of an unbalance vector (Vb) and at the location of the unbalance.
- installation de la pièce tournante (1) qui est creuse et qui est équipée d’un cordon de matière (5) sur un dispositif d’équilibrage (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes,
- mise en rotation de la pièce tournante suivant un axe de rotation à une fréquence de rotation (f) différente d’une fréquence du mode de vibration (fo) prédéterminée du dispositif d’équilibrage et de la pièce tournante,
- équilibrage de la pièce tournante par usinage d’une portion du cordon de matière lorsque la pièce se déplace vers l’élément d’usinage suivant une direction correspondant à un vecteur (Vb) de balourd et à l’endroit du balourd.
- installation of the rotating part (1) which is hollow and which is equipped with a bead of material (5) on a balancing device (2) according to any one of the preceding claims,
- rotation of the rotating part along an axis of rotation at a rotation frequency (f) different from a predetermined frequency of the vibration mode (fo) of the balancing device and of the rotating part,
- balancing of the rotating part by machining a portion of the bead of material when the part moves towards the machining element in a direction corresponding to an unbalance vector (Vb) and to the location of the unbalance.
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