FR3118093A1 - Aube de turbine, en particulier destinée à une turbine contrarotative - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne une aube (7) pour turbine contrarotative de turbomachine, comportant un corps (12) comprenant une partie radialement externe (13) et une partie radialement interne (14), la partie externe ou la partie interne de l’aube (7) étant destinée à être fixée à un tambour (9) de la turbine, caractérisée en ce que ladite aube (7) comporte des moyens de traction aptes à générer un effort de traction (FT) entre la partie externe (13) et la partie interne (14) du corps (12). Figure à publier avec l’abrégé : Figure n°2
Description
Domaine technique de l’invention
L’invention concerne une aube de turbine, en particulier destinée à une turbine contrarotative de turbomachine.
Etat de la technique antérieure
Une turbomachine d’aéronef s’étend autour d’un axe et comprend généralement, d’amont en aval dans le sens d’écoulement des gaz le long de cet axe, une soufflante, un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression. Le rotor du compresseur basse pression est entraîné par le rotor de la turbine basse pression, et le rotor du compresseur haute pression est entraîné par le rotor de la turbine haute pression.
Afin d’améliorer le rendement du moteur, les turbomachines d’aéronef peuvent être équipées d’une turbine basse pression contrarotative. La turbine contrarotative comprend un rotor interne, dit rotor rapide, relié à un premier arbre de turbine, et configuré pour tourner dans un premier sens de rotation, et un rotor externe, dit rotor lent, relié à un second arbre de turbine, et configuré pour tourner coaxialement par rapport au rotor interne et dans un deuxième sens de rotation, opposé au premier sens de rotation.
Les aubes du rotor interne sont alternées avec les aubes du rotor externe selon la direction axiale. Les aubes de chaque étage du rotor interne sont fixées à un disque, ou tambour interne, solidaire du premier arbre de turbine et tournant dans le premier sens de rotation, et les aubes de chaque étage du rotor externe sont fixées à un disque, ou tambour externe, solidaire du deuxième arbre de turbine et tournant dans le deuxième sens de rotation.
Chaque arbre est guidé en rotation par rapport à un carter fixe de la turbomachine, par l’intermédiaire de paliers.
En fonctionnement, les efforts centrifuges exercés sur les aubes du rotor externe ont tendance à comprimer ces aubes, ce qui a pour conséquence d’abaisser les fréquences propres des roues ou aubes mobiles correspondantes, ce qui est problématique pour la tenue dynamique.
Présentation de l’invention
L’invention vise à remédier à cet inconvénient, de manière simple, fiable et peu onéreuse.
A cet effet, l’invention concerne une aube pour turbine contrarotative de turbomachine, comportant un corps comprenant une partie radialement externe et une partie radialement interne, la partie externe ou la partie interne de l’aube étant destinée à être fixée à un tambour externe de la turbine, caractérisée en ce que ladite aube comporte des moyens de traction aptes à générer un effort de traction entre la partie externe et la partie interne du corps.
Les termes axial, radial et circonférentiel sont définis par rapport à l’axe de la turbomachine, qui est confondu avec l’axe de la turbine.
Les moyens de traction permettent ainsi de pré-contraindre le corps de l’aube en traction et de s’opposer aux efforts de compression apparaissant en fonctionnement du fait des efforts centrifuges, augmentant ainsi la raideur et les fréquences propres de l’aube.
Les moyens de traction peuvent comporter un mât logé, au moins en partie, dans une partie creuse du corps, ledit mât comportant une extrémité radialement interne reliée à la partie radialement interne du corps, au niveau d’une zone de liaison radialement interne, et une extrémité radialement externe reliée à la partie radialement externe du corps, au niveau d’une zone de liaison radialement externe, les moyens de traction comportant en outre des moyens de déplacement radial de la zone de liaison radialement externe par rapport à la zone de liaison radialement interne.
Le mât peut ainsi être comprimé à l’aide des moyens de déplacement radial, provoquant un effort de traction sur le corps.
Le corps peut comporter des moyens d’appui du mât, situés dans une zone radialement médiane du mât. Une telle caractéristique permet de limiter l’effet du flambement du mât et d’augmenter ainsi la charge critique du mât en compression.
L’extrémité radialement externe du mât, ou respectivement l’extrémité radialement interne du mât, peut comporter une partie filetée coopérant avec un écrou solidaire radialement par rapport à la partie radialement externe du corps, respectivement par rapport à la partie radialement interne du corps, ledit mât étant apte à pivoter relativement par rapport audit écrou.
La rotation du mât entraîne ainsi sa compression, et provoque alors un effort de traction dans le corps, du fait de la coopération entre la partie filetée et l’écrou.
Le mât peut comporter une extrémité montée par l’intermédiaire d’une liaison rotule sur le corps.
L’extrémité équipée de la liaison rotule est par exemple opposée à l’extrémité comportant la partie filetée. Une telle liaison rotule permet d’éviter de sur-contraindre le mât.
L’extrémité radialement interne du mât, ou respectivement l’extrémité radialement externe du mât, peut être solidaire radialement du corps, l’extrémité radialement externe du mât, ou respectivement l’extrémité radialement interne du mât, étant solidaire radialement d’une came, ladite came coopérant avec des moyens d’actionnement en rotation de la came de façon à déplacer radialement l’extrémité du mât qui est solidaire de la came, par rotation de la came.
Ladite came peut ainsi comporter un axe de rotation solidaire de l’extrémité correspondante du mât et une surface de came en appui sur une partie d’appui solidaire de la partie opposée du corps, la distance entre l’axe de rotation de la came, d’une part, et la zone d’appui de la surface de came sur ladite partie d’appui, d’autre part, variant en fonction de la position angulaire de la came.
Le mât peut être creux.
L’utilisation d’un mât creux permet, pour une même masse du mât, d’augmenter sa charge maximale admissible.
Le mât peut présenter une section circulaire.
Le mât peut être réalisé dans un matériau de type un alliage base nickel présentant une excellente résistance mécanique à haute température. Une des particularités de ce matériau réside dans le fait qu’il peut être utilisé en fabrication additive de type SLM (Selective LASER Melting) ou LBM (LASER Beam Melting).
L’utilisation d’un matériau ayant un module d’Young élevé permet d’augmenter la charge maximale admissible par le mât.
On notera que le module d’Young diminue avec la température du matériau. Il est donc utile de maîtriser la température du mât.
L’aube peut comporter des moyens de ventilation du mât, de l’air de refroidissement pouvant s’écouler dans le mât si celui-ci est creux et/ou dans le volume interne de la partie creuse du corps, de façon à refroidir le mât.
Dans le cas d’un mât creux, celui-ci peut également former un canal d’acheminement d’air de la partie radialement externe de l’aube vers la partie radialement interne de l’aube, ou inversement.
Le mât peut comporter deux parois concentriques délimitant entre elles un canal annulaire d’écoulement d’air.
La paroi radialement externe peut être perforée et peut comporter des multiperforations. De l’air peut s’échapper des perforations de la paroi externe, l’air débouchant alors dans le volume interne de la partie creuse du corps. La paroi interne du mât peut être exempte de perforation. La paroi interne du mât peut assurer un rôle structurel, c’est-à-dire peut supporter la majorité des efforts transitant au travers du mât.
L’invention concerne également un ensemble d’outillage pour une turbomachine comportant une turbine s’étendant autour d’un axe et comprenant des aubes du type précité, l’ensemble comportant un système d’actionnement de la rotation des mâts des aubes, ledit système d’actionnement comportant un anneau de commande, relié par des biellettes aux mâts, et un moyen d’actionnement de la rotation de l’anneau autour de l’axe de la turbine, la rotation de l’anneau entraînant la rotation des mâts autour de leurs axes, par l’intermédiaire des biellettes.
L’axe de l’anneau est confondu avec l’axe de la turbine et avec l’axe de la turbomachine.
L’ensemble d’outillage est uniquement destiné à mettre les mâts en compression et les corps en traction au moment du montage. Cet ensemble est ensuite retiré de façon à ne pas être présent sur la turbomachine en fonctionnement.
Cet outillage est une alternative à un mode de mise en tension individuelle des aubes.
L’invention concerne une turbomachine comportant au moins une aube du type précité.
La turbomachine peut être un turboréacteur ou un turbopropulseur, par exemple pour un aéronef. L’aéronef peut être un avion.
Brève description des figures
Description détaillée de l’invention
La illustre une turbine 1 de turbomachine selon une forme de réalisation de l’invention. Cette turbine 1, d’axe X, est une turbine basse pression contrarotative et comprend un rotor interne 2, dit rotor rapide, relié à un premier arbre de turbine 3, et configuré pour tourner dans un premier sens de rotation, et un rotor externe 4, dit rotor lent, relié à un second arbre de turbine 5, et configuré pour tourner coaxialement par rapport au rotor interne 2 et dans un deuxième sens de rotation, opposé au premier sens de rotation.
Les aubes 6 du rotor interne sont alternées avec les aubes 7 du rotor externe selon la direction axiale X. Les aubes 6, 7 sont ainsi agencées en étages ou roues aubagés successives. Les aubes 6 de chaque étage du rotor interne sont fixées à un disque, ou tambour interne 8, solidaire du premier arbre de turbine 3 et tournant dans le premier sens de rotation, et les aubes 7 de chaque étage du rotor externe 4 sont fixées à un disque, ou tambour externe 9, solidaire du deuxième arbre de turbine 5 et tournant dans le deuxième sens de rotation.
Chaque arbre 3, 5 est guidé en rotation par rapport à un carter fixe 10 de la turbomachine, par l’intermédiaire de paliers 11.
En fonctionnement, les efforts centrifuges exercés sur les aubes 7 du rotor externe 4 ont tendance à comprimer ces aubes 7, ce qui a pour conséquence d’abaisser les fréquences propres des roues mobiles correspondantes, ce qui est problématique pour la tenue dynamique.
Afin de remédier à cet inconvénient, l’invention telle que celle-ci est décrite ci-après propose d’équiper les aubes 7 du rotor externe 4 de moyens permettent de limiter l’effet de compression des aubes 7.
Comme cela est visible aux figures 2 et 3, chaque aube 7 comporte un corps 12 comprenant une partie radialement externe 13, une partie radialement interne 14, et une partie radialement médiane creuse 15.
Les parties radialement interne et externe 12, 13 sont situées hors de la veine d’écoulement du flux de gaz, tandis que la partie radialement médiane 15 est située dans ladite veine.
Dans le cas des aubes 7 du rotor externe 4, la partie radialement externe 13 est fixée au tambour externe 9, la partie radialement interne 14 des aubes 7 situées en aval du rotor externe 4 est fixée à l’arbre correspondant 5, comme illustré schématiquement aux figures 1 et 4.
Le corps 12 de chaque aube 7 est creux, un mât 16 s’étendant au travers du volume interne du corps 12 creux et relie les parties interne 14 et externe 13 du corps 12 de l’aube 7. En particulier, le mât 16 comporte une extrémité radialement interne 17 solidaire de la partie radialement interne 14 du corps 12 ou en appui radialement sur la partie radialement interne 14 du corps 12, au niveau d’une zone de liaison radialement interne formant une rotule. Le mât 16 comporte en outre une extrémité radialement externe 18 reliée à la partie radialement externe 13 du corps 12, au niveau d’une zone de liaison radialement externe.
L’extrémité radialement externe 18 du mât 16 comporte une partie filetée coopérant avec un écrou solidaire radialement par rapport à la partie radialement externe 13 du corps 12, le mât 16 étant apte à pivoter relativement par rapport audit écrou et au corps 12. L’écrou peut être formé directement par une partie taraudée le corps 12 (comme illustré à la ), ou par un élément indépendant du corps 12.
La rotation du mât 16 entraîne ainsi sa compression (effort de compression FC), et provoque alors un effort de traction FTdans le corps 12, du fait de la coopération entre la partie filetée et l’écrou.
La illustre schématiquement le cas des aubes 7 n’appartenant pas à l’étage aval du rotor externe 4. Ces aubes 7 ne sont pas directement reliées à l’arbre 5.
Comme illustré schématiquement à la , la rotation des mâts 16 est actionnée par un système d’actionnement formant un outillage comportant un anneau de commande 19, relié par des biellettes 20 aux mâts 16, et un moyen d’actionnement 21 de la rotation de l’anneau 19 autour de l’axe X de la turbine 1. Ce moyen d’actionnement 21 est par exemple formé par un vérin.
La rotation de l’anneau 19 entraîne la rotation des mâts 16 autour de leurs axes, par l’intermédiaire des biellettes 20.
L’axe de l’anneau 19 est confondu avec l’axe X de la turbine 1 et avec l’axe de la turbomachine.
Cet outillage est uniquement destiné à mettre les mâts 16 en compression et les corps 12 en traction au moment du montage. Cet ensemble est ensuite retiré de façon à ne pas être présent sur la turbomachine en fonctionnement.
Cet outillage est une alternative à un mode de mise en tension individuelle des aubes.
Le mât 16 peut être creux et peut présenter une section circulaire.
Le mât 16 peut être réalisé dans un matériau de type alliage base nickel présentant une excellente résistance mécanique à haute température. Une des particularités de ce matériau réside dans le fait qu’il peut être utilisé en fabrication additive de type SLM (Selective LASER Melting) ou LBM (LASER Beam Melting).
On notera que le module d’Young diminue avec la température du matériau. Il est donc utile de maîtriser la température du mât 16.
Pour cela, comme illustré à la , le mât 16 peut comporter deux parois concentriques 22, 23 délimitant entre elles un canal annulaire 24 d’écoulement d’air. La paroi radialement externe 23 est perforée et comporte des multiperforations 25. De l’air de refroidissement circule dans le canal annulaire 24 formé entre les parois concentriques 22, 23 et s’échappe des perforations 25, l’air débouchant alors dans le volume interne de la partie creuse 15 du corps 12. La paroi interne 22 du mât 16, exempte de perforation, assure un rôle structurel et supporte ainsi la majorité des efforts transitant au travers du mât 16.
Les figures 8 à 10 illustrent une autre forme de réalisation de l’invention, dans laquelle l’extrémité radialement interne 17 du mât 16 est solidaire radialement du corps 12 ou en appui radialement sur le corps 12, l’extrémité radialement externe 18 du mât 16 étant solidaire radialement d’une came 26.
La came 26 coopère avec des moyens d’actionnement en rotation de la came 26 de façon à déplacer radialement l’extrémité du mât 16 qui est solidaire de la came 26, par rotation de la came 26.
Ladite came 26 comporte ainsi un axe de rotation 27 solidaire de l’extrémité correspondante 18 du mât 16 et une surface de came 28 en appui sur une partie d’appui 29 solidaire de la partie opposée 14 du corps 12, la distance d entre l’axe de rotation 27 de la came 26, d’une part, et la zone d’appui de la surface de came 28 et ladite partie d’appui 29, d’autre part, variant en fonction de la position angulaire de la came 26. L’extrémité radialement externe 18 du mât 16 peut ainsi être déplacée radialement, comme illustré aux figures 8 à 10, en fonction de la position angulaire de la came 26, de façon à générer un effort de compression FCdans le mât 16 et un effort de traction FTdans le corps 12 de l’aube 7.
Claims (9)
- Aube (7) pour turbine contrarotative de turbomachine, comportant un corps (12) comprenant une partie radialement externe (13) et une partie radialement interne (14), la partie externe ou la partie interne de l’aube (7) étant destinée à être fixée à un tambour externe (9) de la turbine, caractérisée en ce que ladite aube (7) comporte des moyens de traction aptes à générer un effort de traction (FT) entre la partie externe (13) et la partie interne (14) du corps (12).
- Aube (7) selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de traction comportent un mât (16) logé, au moins en partie, dans une partie creuse (15) du corps (12), ledit mât (16) comportant une extrémité radialement interne (17) reliée à la partie radialement interne (14) du corps (12), au niveau d’une zone de liaison radialement interne, et une extrémité radialement externe (18) reliée à la partie radialement externe (13) du corps (12), au niveau d’une zone de liaison radialement externe, les moyens de traction comportant en outre des moyens de déplacement radial de la zone de liaison radialement externe par rapport à la zone de liaison radialement interne.
- Aube (7) selon la revendication 2, caractérisée en ce que l’extrémité radialement externe du mât (16), ou respectivement l’extrémité radialement interne du mât (16), comporte une partie filetée (18) coopérant avec un écrou solidaire radialement par rapport à la partie radialement externe (13) du corps (12), respectivement par rapport à la partie radialement interne (14) du corps (12), ledit mât (16) étant apte à pivoter relativement par rapport audit écrou pour permettre un déplacement radial de la zone de liaison radialement externe par rapport à la zone de liaison radialement interne.
- Aube (7) selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que le mât (16) comporte une extrémité (17) montée par l’intermédiaire d’une liaison rotule sur le corps (12).
- Aube (7) selon la revendication 2, caractérisée en ce que l’extrémité radialement interne (17) du mât (16), ou respectivement l’extrémité radialement externe (18) du mât (16), est solidaire radialement du corps (12), l’extrémité radialement externe (18) du mât (16), ou respectivement l’extrémité radialement interne (17) du mât (16), étant solidaire radialement d’une came (26), ladite came (26) coopérant avec des moyens d’actionnement en rotation de la came (26) de façon à déplacer radialement l’extrémité (18) du mât (16) qui est solidaire de la came (26), par rotation de la came (26).
- Aube (7) selon l’une des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que le mât (16) est creux.
- Aube (7) selon la revendication 6, caractérisée en ce que le mât (16) comporte deux parois concentriques (22, 23) délimitant entre elles un canal annulaire (24) d’écoulement d’air.
- Ensemble d’outillage pour une turbomachine comportant une turbine (1) s’étendant autour d’un axe (X) et comprenant des aubes (7) selon la revendication 3 ou 4, l’ensemble comportant un système d’actionnement de la rotation des mâts (16) des aubes (7), ledit système d’actionnement comportant un anneau de commande (19), relié par des biellettes (20) aux mâts (16), et un moyen d’actionnement (21) de la rotation de l’anneau (19) autour de l’axe (X) de la turbine (1), la rotation de l’anneau (19) entraînant la rotation des mâts (16) autour de leurs axes, par l’intermédiaire des biellettes (20).
- Turbomachine comportant au moins une aube (7) selon l’une des revendications 1 à 7.
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2020
- 2020-12-17 FR FR2013420A patent/FR3118093B1/fr active Active
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