FR3124261A1 - Ensemble d’éprouvettes d’essai et dispositif de caractérisation du contact entre deux aubes de turbine - Google Patents
Ensemble d’éprouvettes d’essai et dispositif de caractérisation du contact entre deux aubes de turbine Download PDFInfo
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Abstract
Ensemble d’éprouvettes d’essai et dispositif de caractérisation du contact entre deux aubes de turbine Un aspect de l’invention concerne un ensemble d’éprouvettes d’essai représentatif d’un contact entre deux talons (26) de deux aubes mobiles (10) d’une turbine basse pression d’une turbomachine, ledit ensemble comportant : une première éprouvette (110), fixe, montée de manière immobile sur un bâti (200) d’un banc d’essai, etune seconde éprouvette (120, montée en flexion entre la première éprouvette (110) et le bâti (200) du banc d’essai et dont une extrémité est mobile, cette seconde éprouvette (120) ayant une forme de lame configurée pour vibrer suivant une direction (x) sensiblement perpendiculaire à un axe longitudinal (AA) de ladite lame. Un autre aspect de l’invention concerne un dispositif de caractérisation du contact entre deux aubes de turbine basse pression de turbomachine. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 7
Description
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
La présente invention concerne un ensemble d’éprouvettes d’essai représentatif d’un contact entre deux aubes de turbine basse pression. Elle concerne également un dispositif de caractérisation du contact entre deux aubes de turbine basse pression.
L’invention trouve des applications dans le domaine de la caractérisation des aubes mobiles de turbine basse pression de turbomachine et, en particulier, dans le domaine de la caractérisation sous sollicitations vibratoires du contact entre des aubes mobiles de turbine basse pression.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
Il est connu, en aéronautique, qu’une turbomachine comporte une turbine basse pression 4, dont un exemple est représenté sur la . Cette turbine basse pression récupère une partie de l’énergie issue de la combustion des gaz pour le fonctionnement de la soufflante, du compresseur et des accessoires de la turbomachine. Un des éléments constitutifs de la turbine basse pression est le rotor 1 qui est un ensemble de disques et d’aubes assemblés autour d’un arbre s’étendant suivant un axe longitudinal XX.
Le rotor 1 comporte une pluralité d’étages d’aubes mobiles 10, dont un exemple est représenté sur la . Les aubes mobiles 10 sont agencées radialement autour de l’axe de rotation du rotor 1. Une aube mobile 10 comporte une pale 11 qui s'étend selon un axe Z, entre une extrémité proximale 11b (extrémité intérieure) et une extrémité distale 11a (extrémité extérieure) de l'aube 10. On note que l’axe Z est perpendiculaire à l’axe longitudinal XX de la turbomachine. La pale 11 comporte une face d'extrados (non visible) et une face d'intrados 43 (visible sur la ) reliées en amont par un bord d’attaque 47 et en aval par un bord de fuite 48.
À l’extrémité proximale 11b de la pale 11, l'aube 10 comprend un pied 14 permettant de la fixer à un disque 3 du rotor 1, et plus particulièrement dans une alvéole complémentaire du disque 3. Le disque 3 comporte classiquement une pluralité d’alvéoles réparties radialement sur sa circonférence pour recevoir plusieurs pieds 14 d’aube 10. La pale 11 permet de récupérer les efforts des gaz traversant la turbomachine pour les transmettre au disque 3 du rotor 1.
À l’extrémité distale 11a de la pale 11, l’aube 10 comporte une plateforme transversale 26, appelé plus couramment talon. La illustre la partie supérieure de l’aube 10 et plus précisément une vue de dessus du talon 26 de l’aube représentée en . Le talon 26 comporte une plateforme 28 présentant un becquet amont 27 et un becquet aval 29 s’étendant transversalement par rapport au sens d’écoulement des gaz (selon l’axe X). Les deux becquets 27, 29 sont reliés entre eux par deux bords latéraux 22, 24 présentant un profil dit en V, ou en Z. Le premier bord latéral 22, positionné du côté extrados de la pale 11, est appelé bord latéral extrados. Le deuxième bord latéral 24, positionné du côté intrados de la pale 11, est appelé bord latéral intrados.
Le talon 26 comporte en outre deux léchettes 30, 31 faisant saillies par rapport à la plateforme 28 et s’étendant selon une direction transversale par rapport au sens d’écoulement des gaz (selon l’axe X). Les léchettes 30, 31 assurent l’étanchéité par complémentarité avec un stator 2, visible sur la , lors du fonctionnement de la turbine basse pression 4.
Lorsque les aubes mobiles 10 sont montées en couronne sur le disque 3, chaque plateforme 28 est en contact avec deux autres plateformes 28 de deux aubes adjacentes, et plus précisément par contact des bords latéraux 22, 24 comme illustré à la . La forme des plateformes 28 permet de mettre les aubes 10 mobiles en contrainte de torsion lorsque celles-ci sont en position sur le disque 3, notamment par la mise en appui d’une aube avec les aubes voisines au niveau des bords latéraux 22, 24 des plateformes 28. Cette mise en contrainte permet notamment d’amortir les vibrations auxquelles sont soumises les aubes en fonctionnement.
En raison des vibrations et des efforts transmis entre deux surfaces en contact, il s’ensuit un frottement sous tension des zones de contact qui est un facteur important d’usure au niveau des bords latéraux 22, 24 des plateformes 28. Or, le matériau constituant l’aube mobile 10 est généralement peu résistant à ces phénomènes d’usure dans les conditions de fonctionnement de la turbomachine. Pour prolonger la durée de vie des aubes, il est connu de protéger et de créer des zones localisées de contact au niveau des bords latéraux extrados 22 et intrados 24 de la plateforme 28 en insérant une couche d’un matériau anti-usure 25, comme représenté sur la . Ces zones de contact, par exemple les parois latérales de la plateforme du talon d’aube, sont habituellement recouvertes d’un alliage de cobalt, appelé stellite®, dont la particularité est d’être extrêmement dur et inoxydable. Par abus de langage, il est courant que ces zones de contact soient appelées elle-même « stellite».
Généralement, le matériau anti-usure 25 consiste en une plaquette de stellite® soudée par soudage TIG (ou « Tungsten Inert Gas » en termes anglosaxons) sur le substrat métallique formé par les plateformes 28 de l’aube mobile 10. Des plaquettes de matériau anti-usure 25 sont ainsi soudées sur chaque aube 10, au niveau des zones de contact entre le bord latéral intrados 24 d’une première aube et le bord latéral extrados 22 d’une deuxième aube. L’opération de soudage TIG étant une opération manuelle, relativement délicate, elle entraîne un taux de rebuts conséquent.
Pour s’affranchir de cet inconvénient de taux de rebus élevé, plusieurs alternatives ont été envisagées : projection plasma, dépôt physique en phase vapeur (PVD) ou revêtement par petites impulsions de décharge (appelé « Micro Spark Coating »). Cependant, pour déterminer si ces alternatives sont applicables, et pour déterminer les matériaux utilisables, il convient de réaliser un essai en condition de fonctionnement. Or, de tels essais présentent des coûts importants du fait de la complexité des outillages à mettre en œuvre, des pièces nécessaires et des délais de réalisation.
Pour réaliser ces essais, un dispositif d’essai visant à qualifier les aubes mobiles de turbine sous conditions vibratoires, a été proposé, comme décrit dans le brevet N° FR 3 079 929. Un exemple d’un tel dispositif d’essai est représenté sur la . Ce dispositif comporte une base présentant au moins trois emplacements permettant le montage consécutif et le blocage de trois aubes. Bien que ce dispositif d’essai évite le montage complet d’un moteur d’essai, il présente l’inconvénient que les talons d’aubes sont encastrés, ce qui ne permet pas de restituer à l’identique le comportement d’un talon en fonctionnement moteur.
En effet, les aubes présentent généralement une pré-torsion, ou précontrainte, qui permet aux zones de contact, ou stellites, de rester en contact les unes avec les autres de sorte à amortir le premier mode vibratoire de flexion. Chaque stellite, par friction, dissipe l’énergie vibratoire de l’aube, notamment sur son premier mode de flexion. Cet amortissement du premier mode vibratoire de flexion a pour effet de diminuer l’amplitude de sa déformée et de limiter les risques de rupture des aubages en dynamique, en particulier lors de la mise en résonnance.
On comprend que tous ces essais sont techniquement complexes à réaliser car les montages doivent s’adapter à la géométrie particulière des aubes mobiles. En effet, la fabrication d’une aube mobile nécessitant un grand nombre d’opérations, il existe de réels aléas de production et les aubes d’une même turbine présentent souvent des paramètres différents et des dispersions géométriques. Les résultats obtenus lors des essais sont donc difficiles à exploiter et sont souvent peu représentatifs d’une configuration en fonctionnement moteur au niveau du talon.
Pour résoudre au moins partiellement les problèmes décrits précédemment, il est proposé de réaliser des essais partiels sur un ensemble d’éprouvettes, pour quantifier l’amortissement pour chaque solution envisagée du couple revêtement et technologie appliqué sur les stellites d’aubes mobiles, avant de réaliser des essais sur les aubes mobiles elles-mêmes.
Selon un premier aspect, l’invention concerne un ensemble d’éprouvettes d’essai représentatif d’un contact entre deux talons de deux aubes mobiles d’une turbine basse pression d’une turbomachine, ledit ensemble comportant :
- une première éprouvette, fixe, montée de manière immobile sur un bâti d’un banc d’essai, et
- une seconde éprouvette, montée en flexion entre la première éprouvette et le bâti du banc d’essai et dont une extrémité est mobile, cette seconde éprouvette ayant une forme de lame apte à vibrer suivant une direction sensiblement perpendiculaire à un axe longitudinal de ladite lame.
Cet ensemble d’éprouvettes permet de tester divers couples de matériau anti-usure et de technologie d’application du matériau, avant de tester le couple le plus prometteur sur des aubes réelles. Les éprouvettes ont l’avantage à la fois d’être moins chères à produire que des aubes et de pouvoir d’être facilement reproductibles à l’identique.
Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, l’ensemble d’éprouvettes d’essai selon un aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- la première éprouvette et la seconde éprouvette sont séparées par au moins une couche d’un matériau anti-usure du talon d’aube.
- la seconde éprouvette comporte une forme sensiblement en L ayant une jambe et un pied, une première extrémité de la jambe étant prolongée par le pied, une seconde extrémité de la jambe étant fixée sur le bâti.
- le pied de la seconde éprouvette est fixé sur la première éprouvette.
- la jambe de la seconde éprouvette comporte, à sa seconde extrémité, une largeur plus grande que la largeur à sa première extrémité.
- le pied de la seconde éprouvette s’étend perpendiculairement à l’axe longitudinal de la jambe.
- le pied de la seconde éprouvette a une forme de section rectangulaire.
- le pied de la seconde éprouvette a une forme en crochet s’étendant obliquement par rapport à l’axe longitudinal de la jambe.
- le pied de la seconde éprouvette comporte des dimensions réduites par rapport aux dimensions de la jambe.
Un autre aspect de l’invention concerne un dispositif de caractérisation d’un contact entre deux talons de deux aubes mobiles d’une turbine basse pression de turbomachine, caractérisé en ce qu’il comporte un banc d’essai sur lequel est monté l’ensemble d’éprouvettes tel que défini ci-dessus, ledit banc d’essai étant équipé d’un pot vibrant configuré pour transmettre une vibration audit ensemble d’éprouvettes.
Avantageusement, le banc d’essai de ce dispositif de caractérisation comporte un dispositif de chauffage configuré pour reproduire, sur l’ensemble d’éprouvettes, les conditions chaleur d’une aube mobile de turbine basse pression.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures dans lesquelles :
La , déjà décrite, représente une vue schématique d’une portion de turbine basse pression d’une turbomachine ;
La , déjà décrite, représente une vue schématique en perspective d’une aube mobile de turbine basse pression d’une turbomachine ;
La , déjà décrite, représente une vue schématique de dessus de l’aube mobile illustrée à la ;
La , déjà décrite, représente schématiquement en perspective, la partie supérieure d’une portion de couronne assemblée d’une turbine basse pression de turbomachine ;
La , déjà décrite, représente une vue schématique en perspective d’un talon d’aube mobile de turbine basse pression de turbomachine ;
La , déjà décrite, représente un exemple de dispositif d’essai selon l’art antérieur ;
La représente une vue de côté schématique d’un ensemble d’éprouvettes selon l’invention ;
La représente des exemples de courbes de réponse d’éprouvette en présence ou non d’un amortissement ;
La représente une vue de dessus schématique d’un mode de réalisation de l’ensemble d’éprouvettes selon l’invention, montée sur un bâti ;
La représente, schématiquement, des vues en coupe des éprouvettes de l’ensemble d’éprouvettes de la ;
La représente une vue de dessus schématique d’un autre mode de réalisation de l’ensemble d’éprouvettes selon l’invention, montée sur un bâti ;
La représente, schématiquement, des vues en coupe des éprouvettes de l’ensemble d’éprouvettes de la ; et
La représente une vue schématique en coupe d’un dispositif de caractérisation du contact entre deux aubes de turbine basse pression.
Claims (11)
- Ensemble d’éprouvettes d’essai représentatif d’un contact entre deux talons (26) de deux aubes mobiles adjacentes (10) d’une turbine basse pression d’une turbomachine, ledit ensemble comportant :
- une première éprouvette (110), fixe, montée de manière immobile sur un bâti (200) d’un banc d’essai, et
- une seconde éprouvette (120) montée en flexion entre la première éprouvette (110) et le bâti (200) du banc d’essai et dont une extrémité est mobile, cette seconde éprouvette (120) ayant une forme de lame configurée pour vibrer suivant une direction (x) sensiblement perpendiculaire à un axe longitudinal (AA) de ladite lame.
- Ensemble d’éprouvettes selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première éprouvette (110) et la seconde éprouvette (120) sont séparées par au moins une couche (130) d’un matériau anti-usure de talon d’aube.
- Ensemble d’éprouvettes selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la seconde éprouvette (120) comporte une forme sensiblement en L ayant une jambe (121) et un pied (124), une première extrémité (121a) de la jambe étant prolongée par le pied, une seconde extrémité (121b) de la jambe étant fixée sur le bâti.
- Ensemble d’éprouvettes selon la revendication 3, caractérisé en ce que le pied (124) de la seconde éprouvette (120) est fixé sur la première éprouvette (110).
- Ensemble d’éprouvettes selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la jambe (121) de la seconde éprouvette (120) comporte, à sa seconde extrémité (121b), une largeur plus grande que la largeur à sa première extrémité (121a).
- Ensemble d’éprouvettes selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le pied (124) de la seconde éprouvette (120) s’étend perpendiculairement à l’axe longitudinal (AA) de la jambe.
- Ensemble d’éprouvettes selon la revendication 6, caractérisé en ce que le pied (124) de la seconde éprouvette (120) a une forme de section rectangulaire.
- Ensemble d’éprouvettes l’une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le pied (124) de la seconde éprouvette (120) a une forme en crochet s’étendant obliquement par rapport à l’axe longitudinal (AA) de la jambe.
- Ensemble d’éprouvettes selon l’une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que le pied (124) de la seconde éprouvette (120) comporte des dimensions réduites par rapport aux dimensions de la jambe (121).
- Dispositif de caractérisation d’un contact entre deux talons de deux aubes mobiles d’une turbine basse pression de turbomachine, caractérisé en ce qu’il comporte un banc d’essai (300) sur lequel est monté l’ensemble d’éprouvettes (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, ledit banc d’essai étant équipé d’un pot vibrant configuré pour transmettre une vibration audit ensemble d’éprouvettes.
- Dispositif de caractérisation selon la revendication 10, caractérisé en ce que le banc d’essai (300) comporte un dispositif de chauffage (320) configuré pour reproduire, sur l’ensemble d’éprouvettes (100), des conditions de chaleur d’une aube mobile de turbine basse pression.
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