FR3108149A1 - Module de soufflante pour une turbomachine d’aeronef - Google Patents
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Abstract
Module de soufflante (10) pour une turbomachine d’aéronef, comportant : un disque de soufflante (18) portant des aubes (20) et des plateformes inter-aubes (22), une virole annulaire (14) et comportant un premier rebord annulaire aval (14b) à sa périphérie externe qui s’étend autour d’un bord axial amont de chacune des plateformes et prend appui radialement sur ces bords, et un cône d’entrée d’air (12) fixé sur la virole (14), caractérisé en ce que le cône (12) comprend un second rebord annulaire aval (12a) à sa périphérie externe qui recouvre le premier rebord (14b) et qui s’étend axialement jusqu’à une extrémité libre aval de ce premier rebord, en prenant appui radialement sur cette extrémité libre, de façon à ce que les premier et second rebords (12a, 14b) participent à la retenue radiale des bords (22a) des plateformes (22). Figure pour l'abrégé : Figure 1
Description
Domaine technique de l'invention
L’invention concerne un module de soufflante pour une turbomachine d’aéronef.
Arrière-plan technique
L’arrière-plan technique comprend notamment les documents FR-A1-2908 827, FR-A1-2920 187, FR-A1-2986 046, FR-A1-3053 430 et FR-B1-3060056.
Un module de soufflante est situé à l’amont d’une turbomachine d’aéronef par référence à l’écoulement des gaz, d’amont en aval, dans cette turbomachine.
Un module de soufflante comprend classiquement une soufflante à l’amont de laquelle est situé un cône d’entrée d’air, ce cône étant configuré pour optimiser l’écoulement du flux d’air destiné à traverser la soufflante et à alimenter la turbomachine.
Une soufflante comprend un disque de soufflante portant des aubes de soufflante ainsi que des plateformes inter-aubes. Le disque de soufflante est un disque de rotor puisque la soufflante et le module de soufflante sont mobiles en rotation autour d’un axe, qui est en général un axe longitudinal de la turbomachine.
Les aubes comportent chacune une pale reliée à un pied qui sert à fixer l’aube sur le disque. A titre d’exemple, le pied d’une aube de soufflante peut être du type en queue d’aronde et peut être destiné à être inséré dans une alvéole de forme complémentaire de la périphérie du disque. La coopération de la forme du pied avec la forme complémentaire de l’alvéole du disque suffit à retenir radialement l’aube sur le disque de soufflante. Chacune des plateformes inter-aubes est montée entre deux aubes adjacentes et est en général fixée au disque par des vis ou analogues.
En fonctionnement, les plateformes de la soufflante sont soumises à des forces centrifuges importantes et leurs bords amont doivent être retenus radialement afin de ne pas se déformer par flexion radialement vers l’extérieur. Par ailleurs, les alvéoles du disque peuvent traverser axialement le disque et les pieds des aubes sont susceptibles de se déplacer axialement dans ces alvéoles en fonctionnement.
La retenue radiale des bords amont des plateformes est en général assurée par une virole annulaire qui est intercalée axialement entre le cône et le disque et qui est fixée sur le disque. Cette virole comprend un rebord annulaire à sa périphérie externe qui s’étend autour des bords amont des plateformes pour les retenir en direction radiale. Cette virole peut par ailleurs s’étendre en amont des alvéoles du disque afin de retenir axialement les pieds des aubes vers l’amont.
Le cône est fixé sur cette virole et a, dans l’état de la technique, essentiellement pour fonction de définir intérieurement la veine d’écoulement d’air entrant dans la turbomachine. Dans le cas où la partie périphérique externe de la virole s’étendrait dans le prolongement axial du cône, cette partie pourrait également définir un tronçon de cette veine. Dans ce cas, cette partie peut comprendre des bossages externes régulièrement répartis autour de l’axe de rotation du module.
Les modules de soufflante actuels présentent toutefois des inconvénients, qui sont détaillés dans ce qui suit.
Lorsque la virole comprend des bossages externes, elle est complexe à fabriquer, ce qui implique des coûts de production élevés.
Un jeu axial peut exister entre le cône et la virole, lorsque cette dernière s’étend dans le prolongement axial du cône, ce qui génère des pertes d’étanchéité dans la zone de jonction et crée des perturbations dans l’écoulement d’air pénétrant dans la soufflante.
De plus, le cône est fixé à la virole par des vis qui s’étendent dans un plan perpendiculaire à l’axe et dont les têtes sont logées dans des lamages du cône. Ces lamages créent également des perturbations aérodynamiques importantes dans l’écoulement d’air. Ce type de liaison implique également ce que l’on appelle l’effet «marguerite», qui est une déformation locale au niveau des fixations entre le cône et la virole lors du serrage des vis et à cause des tolérances de fabrication des pièces. Ce phénomène implique des problèmes lors du montage du cône sur la virole.
La présente invention propose une solution simple, efficace et économique à au moins une partie des problèmes évoqués dans ce qui précède.
La présente invention propose un module de soufflante pour une turbomachine d’aéronef, ce module étant mobile en rotation autour d’un axe A et comportant:
- un disque de soufflante centré sur l’axe et portant des aubes et des plateformes inter-aubes, les aubes étant fixées à la périphérie externe du disque et chacune des plateformes étant montée sur la périphérie externe du disque entre deux aubes adjacentes, chacune des plateformes comportant un bord axial amont,
- une virole annulaire centrée sur l’axe A et fixée sur le disque, cette virole comportant un premier rebord annulaire aval à sa périphérie externe qui s’étend autour du bord axial amont de chacune des plateformes et prend appui radialement sur ces bords, et
- un cône d’entrée d’air centré sur l’axe A et fixé sur la virole,
caractérisé en ce que le cône comprend un second rebord annulaire aval à sa périphérie externe qui recouvre le premier rebord et qui s’étend axialement jusqu’à une extrémité libre aval de ce premier rebord, en prenant appui radialement sur cette extrémité libre, de façon à ce que les premier et second rebords participent à la retenue radiale des bords des plateformes.
L’invention présente de nombreux avantages. Tout d’abord, le cône est le seul élément, parmi le cône et la virole, qui définit intérieurement la veine d’écoulement d’air jusqu’aux aubes de soufflante puisque le rebord du cône s’étend jusqu’à l’extrémité aval du rebord de la virole. Le risque de perte d’étanchéité et de perturbations dans cet écoulement est donc nettement diminué par rapport à la technique antérieure.
Par ailleurs, le rebord du cône s’étend sur le rebord de la virole et forme une peau externe sur ce rebord, ce qui permet de supprimer l’existence de jeu radial dans cette zone et donc les risques de déformation ou de vibrations du cône. Le cône participe par ailleurs à la rétention des bords amont des plateformes car les deux rebords du cône et de la virole forment des moyens combinés de retenue radiale de ces bords. Ces moyens ont une épaisseur et donc une tenue mécanique importante, du fait de la superposition radiale des rebords.
De manière préférée, le rebord de la virole a une épaisseur supérieure à celle du rebord du cône. L’épaisseur de la virole peut dépendre du matériau et de la force centrifuge engendrée par les plateformes à retenir.
Le montage et la conception du cône ainsi que de la virole sont par ailleurs simplifiés. Cette simplification peut permettre notamment de réduire la masse des pièces ainsi que leur coût de revient.
Le module selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques et/ ou étapes suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres:
- le cône est fixé à la virole par des premières vis qui traversent des orifices du cône et sont vissées dans des premiers écrous portés par la virole, chacune des premières vis s’étendant dans une direction normale à une portion du cône comportant l’orifice de passage de cette vis,
- les premières vis ont des têtes fraisées qui sont engagées dans des renfoncements du cône de façon ce que ces têtes affleurent une surface aérodynamique externe du cône; ceci évite notamment le risque d’accumulation de débris/neige dans le renfoncement (ou un lamage du cône qui recevrait la vis) et de perturber le flux aérodynamique,
- les premiers écrous sont portés par des pattes de la virole, les pattes étant régulièrement réparties autour de l’axe A,
-- les premiers écrous sont du type flottant, ce qui est avantageux car cela facilite le positionnement et l’alignement de l’écrou avec la vis lorsque cette vis est vissée dans l’écrou; sans cela, un mauvais alignement entre la vis et l’écrou (fixe) risquerait d’entraîner une usure voire la casse de ces moyens de fixation,
- la virole comprend une paroi annulaire sensiblement perpendiculaire à l’axe et portant à sa périphérie externe ledit premier rebord,
- les pattes sont en saillie sur une face radiale amont de ladite paroi annulaire,
-- le cône prend appui localement sur lesdites pattes,
-- chacune des pattes forme un angle compris entre 60 et 80° par rapport à un plan perpendiculaire audit axe, cet angle étant mesuré dans un plan passant par l’axe et le milieu de la patte; cette orientation particulière des pattes et la fixation du cône sur ces pattes permettent de limiter l’effet marguerite évoqué dans ce qui précède,
- ladite paroi annulaire comprend des orifices axiaux traversés par des secondes vis de fixation de la virole au disque,
- le cône est en aluminium ou alliage d’aluminium,
- la virole est en titane ou alliage de titane,
- ledit second rebord comprend des bossages externes régulièrement répartis autour dudit axe A; la présence et la réalisation des bossages sur le cône plutôt que sur la virole sont avantageuses en particulier lorsqu’ils sont réalisés par usinage, par exemple par fraisage, du fait que le cône peut être plus facile à usiner que la virole,
-- la virole porte des masselottes d’équilibrage; on comprend qu’il suffit de retirer le cône pour avoir accès aux masselottes qui peuvent être similaires à celles de la technique antérieure.
L’invention concerne également une turbomachine d’aéronef comportant un module tel que décrit ci-dessus.
Brève description des figures
La présente invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description d’un exemple non limitatif qui suit, en référence aux dessins annexés sur lesquels:
Description détaillée de l'invention
Les figures 1 à 3 illustrent un mode de réalisation préféré d’un module de soufflante 10 selon l’invention pour une turbomachine d’aéronef.
Un module de turbomachine est en général un tronçon ou partie axiale de la turbomachine. La turbomachine comprend un axe longitudinal A qui correspond à un axe de rotation de ses rotors principaux et est composée de plusieurs modules axiaux successifs.
Le module le plus amont d’une turbomachine est en général un module de soufflante, un tel module ayant pour fonction de générer un flux d’air qui traverse la turbomachine d’amont en aval. Dans le cas d’un turboréacteur à double flux par exemple, ce flux d’air se divise en une première partie annulaire, radialement interne, qui alimente un générateur de gaz et forme un flux primaire, et une seconde partie annulaire, radialement externe, qui s’écoule autour de ce générateur de gaz et forme un flux secondaire.
Le module de soufflante 10 comprend pour l’essentiel un cône d’entrée d’air 12, une virole 14, et une soufflante 16.
La soufflante 16 comprendun disque 18 de soufflante centré sur l’axe A et portant des aubes 20 et des plateformes inter-aubes 22.
Chaque aube 20 comprend une pale reliée à son extrémité radialement interne à un pied, par exemple en queue d’aronde. Le pied de chaque aube est emmanché dans une alvéole 18a de forme complémentaire du disque 18, cette alvéole 18a s’étendant axialement sur toute l’étendue axiale du disque.
Les alvéoles 18a du disque 18 sont séparées les unes des autres par des dents 18b sur lesquelles sont disposées les plateformes 22. Chaque plateforme 22 est montée entre deux aubes 20 adjacentes.
Les plateformes 22 ont un profil aérodynamique et leur fonction principale est de définir intérieurement la veine d’écoulement d’air à travers la soufflante 16. Les plateformes 22 comprennent à leurs extrémités amont des bords axiaux amont 22a qui doivent être retenus radialement, en particulier vers l’extérieur, pour garantir une position radiale optimale des extrémités amont des plateformes et éviter ainsi la création de ressauts ou d’obstacles dans la veine.
Les plateformes 22 peuvent être métalliques ou composites. Dans le cas de plateformes composites, un revêtement, se présentant par exemple sous la forme d’une bande adhésive, est installé entre la virole 14 et chaque plateforme 22 pour éviter l’usure du matériau composite. Ce revêtement est de préférence en plastique et peut faire quelques dizaines de millimètres d’épaisseur.
La virole 14 a une forme annulaire et est centrée sur l’axe A. Elle est fixée sur le disque 18 par des vis 24 qui sont de préférence régulièrement réparties autour de l’axe A.
Dans l’exemple représenté, la virole 14 comprend une paroi 14a sensiblement plane et perpendiculaire à l’axe A. Cette paroi 14a s’étend en amont du disque 18 et en particulier en amont des dents 18b et des alvéoles 18a.
Cette paroi 14a est reliée à sa périphérie externe à un rebord annulaire 14b qui est orienté vers l’aval et qui s’étend autour des bords axiaux amont 22a des plateformes 22 et qui prend appui radialement sur ces bords afin de les retenir en direction radiale, comme évoqué dans ce qui précède.
Ce rebord 14b a une forme générale cylindrique ou tronconique. Le rebord 14b comprend une surface tronconique extérieure 14ba d’appui local et de centrage du cône 12.
La paroi 14a comprend une rangée annulaire d’orifices 26 traversants pour le passage des vis 24. La paroi 14a est appliquée axialement contre des extrémités amont des dents 18b qui portent à ces extrémités des écrous 28 prisonniers ou flottants (figure 3). Les vis 24 sont vissées dans les écrous 28 jusqu’à un couple de serrage prédéterminé.
Comme cela est visible à la figure 1, la paroi 14a est ajourée et comprend des ouvertures 30 traversantes axialement réparties autour de l’axe A, chaque ouverture 30 s’étendant en direction circonférentielle autour de l’axe A entre deux orifices 26 adjacents.
La paroi 14a est reliée à sa périphérie interne à un rebord annulaire 14c s’étendant radialement vers l’intérieur et comportant des orifices 32 de montage de masselottes d’équilibrage 34 en vue de la correction d’un balourd du module 10. De façon connue par un homme du métier, la position et le nombre de ces masselottes 34 dépend du balourd à corriger.
La paroi 14a est également reliée à sa périphérie externe à des pattes 14d de fixation du cône 12, qui sont régulièrement réparties autour de l’axe A. Ces pattes 14d s’étendent axialement vers l’amont depuis la périphérie externe de la paroi 14a et sont inclinées de l’aval vers l’amont en direction de l’axe A de façon à ces qu’elles définissent des portions 36 d’une surface tronconique extérieure d’appui local du cône 12. Les pattes 14d sont ainsi en saillie sur une face radiale amont de la paroi 14a.
Les pattes 14d comprennent des orifices 38 de montage d’écrous 40 flottants ou prisonniers de fixation du cône 12 à la virole 14 (figure 2).
Le cône 12 a une forme générale conique, qui peut être légèrement bombée en section axiale comme représenté dans les dessins. Le cône 12 est appliqué sur les pattes 14d ainsi que sur le rebord 14b.
Selon l’invention, le cône 12 comprend un rebord annulaire aval 12a à sa périphérie externe qui recouvre le rebord 14b et qui s’étend axialement jusqu’à une extrémité libre aval de ce rebord 14b.
Les rebords 14b, 12a sont ainsi superposés, le rebord 12a formant une peau extérieure au rebord 14b. Ces rebords participent ensemble à la retenue radiale des bords axiaux amont 22a des plateformes 22.
Chaque plateforme 22 peut comprendre une patte de fixation sur la dent 18b du disque 18, par exemple par un système vis-écrou non représenté.
En variante et comme schématiquement illustré à la figure 3, chaque plateforme 22 peut être retenue sur le disque 18 uniquement à l’amont par la coopération du rebord 22a avec les rebords 12b, 12a, et à l’aval par une coopération similaire entre un rebord axial aval 22b de la plateforme et un rebord annulaire 52a orienté vers l’amont d’une autre virole 52.
La virole 52 a une forme annulaire et est centrée sur l’axe A. Elle est fixée sur le disque 18 par des vis 54 qui sont de préférence régulièrement réparties autour de l’axe A.
Le montage de la plateforme 22 illustré à la figure 3 permet à la plateforme de suivre sans dommage le mouvement des aubes lors d’une ingestion d’oiseau par exemple.
Le cône 12 comprend une surface aérodynamique externe 12b. Il comprend également une surface annulaire interne aval d’appui 12c et de recouvrement du rebord 14a et une surface annulaire interne amont 12d d’appui et de recouvrement des pattes 14d.
Le cône 12 comprend des orifices 42 traversants de montage de vis 44 qui sont vissées dans les écrous 40 portés par les pattes 14d. Les orifices 42 débouchent radialement vers l’intérieur sur la surface 12d et leurs axes sont orientés dans des directions perpendiculaires à cette surface ou à la surface 12b du cône. Les vis 44 sont ainsi orientées dans des directions normales par rapport aux portions du cône comportant les orifices 42.
Chacune des vis 44 comprend une tête 44a du type fraisée qui est logée dans un renfoncement 46 de la surface 12b du cône de façon à ce que sa surface d’extrémité libre radialement externe soit alignée et/ou affleurante avec la surface 12b du cône 12.
Le renfoncement 46 peut avoir une forme complémentaire à la forme de la tête 44a. En variante et comme représenté, une rondelle 48 ou une coupelle pourrait être traversée par la vis 44 et logée dans le renfoncement 46 pour épouser la forme de la tête 44a.
Dans un cas particulier de réalisation de l’invention, le cône 12 est en aluminium ou alliage d’aluminium et/ou la virole 14 est en titane ou alliage de titane.
Le rebord 12a du cône 12 peut comprendre une rangée annulaire de bossages aérodynamiques 50 en saillie sur la surface 12b, qui peuvent être réalisés par usinage et en particulier par fraisage. Cet usinage est d’autant plus simple lorsque le cône est en aluminium ou alliage d’aluminium.
Le module de soufflante 10 peut être assemblé de la façon suivante. Les aubes 20 sont montées sur le disque 18 par emmanchement de leurs pieds dans les alvéoles 18a. Les plateformes 22 sont retenues sur le disque 18 puis la virole 14 est rapportée axialement sur le disque 18 et fixée sur celui-ci par les vis 24. Le rebord 14b de la virole entoure alors les bords 22a des plateformes 22 et prend appui sur ces bords 22a. Le cône 12 est ensuite rapporté axialement sur la virole 14 et fixé à celle-ci par les vis 44. Le rebord 12a du cône 12 recouvre alors le rebord 14b de la virole 14 jusqu’à son extrémité aval.
Lors de premiers essais en rotation du module 10, un balourd peut être détecté et doit être corrigé. Le cône 12 est alors démonté pour fixer des masselottes 34 dans des positions précises sur le rebord 14c de la paroi 14a de la virole, puis le cône peut être remonté. On comprend donc que l’accès aux masselottes 34 se fait en démontant le cône 12 et donc en démontant une seule pièce.
La présente invention apporte de nombreux avantages évoqués plus haut et notamment une tenue radiale optimale des extrémités amont des plateformes 22 tout en assurant une étanchéité optimale et un aérodynamisme optimal du module en amont des aubes 20.
Claims (10)
- Module de soufflante (10) pour une turbomachine d’aéronef, ce module étant mobile en rotation autour d’un axe A et comportant:
- un disque de soufflante (18) centré sur l’axe et portant des aubes (20) et des plateformes inter-aubes (22), les aubes étant fixées à la périphérie externe du disque et chacune des plateformes étant montée sur la périphérie externe du disque entre deux aubes adjacentes, chacune des plateformes comportant un bord axial amont (22a),
- une virole annulaire (14) centrée sur l’axe A et fixée sur le disque, cette virole comportant un premier rebord annulaire aval (14b) à sa périphérie externe qui s’étend autour du bord axial amont de chacune des plateformes et prend appui radialement sur ces bords, et
- un cône d’entrée d’air (12) centré sur l’axe A et fixé sur la virole (14),
- Module (10) selon la revendication 1, dans lequel le cône (12) est fixé à la virole (14) par des premières vis (44) qui traversent des orifices (42) du cône (12) et sont vissées dans des premiers écrous (40) portés par la virole (14), chacune des premières vis (44) s’étendant dans une direction normale à une portion du cône comportant l’orifice de passage de cette vis.
- Module (10) selon la revendication 2, dans lequel les premières vis (44) ont des têtes (44a) fraisées qui sont engagées dans des renfoncements (46) du cône (12) de façon ce que ces têtes affleurent une surface aérodynamique externe (12b) du cône.
- Module (10) selon la revendication 2 ou 3, dans lequel les premiers écrous (40) sont portés par des pattes (14d) de la virole (14), les pattes étant régulièrement réparties autour de l’axe A.
- Module (10) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la virole (14) comprend une paroi annulaire (14a) sensiblement perpendiculaire à l’axe et portant à sa périphérie externe ledit premier rebord (14b).
- Module (10) selon l’ensemble des revendications 4 et 5, dans lequel les pattes (14d) sont en saillie sur une face radiale amont de ladite paroi annulaire (14a).
- Module (10) selon la revendication 5 ou 6, dans lequel ladite paroi annulaire (14a) comprend des orifices axiaux (26) traversés par des secondes vis (24) de fixation de la virole (14) au disque (18).
- Module (10) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le cône (12) est en aluminium ou alliage d’aluminium et/ou la virole (14) est en titane ou alliage de titane.
- Module (10) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit second rebord (12a) comprend des bossages externes (50) régulièrement répartis autour dudit axe A.
- Turbomachine d’aéronef, comportant un module (10) selon l’une des revendications précédentes.
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