FR3127985A1 - Clinquant pour diminuer les contraintes dans un col de pied d’aube de turbine - Google Patents

Clinquant pour diminuer les contraintes dans un col de pied d’aube de turbine Download PDF

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Cyril Léo BENOIT
Eric Jacques DELCOIGNE
Edouard Emmanuel GARREAU
Peter Segat
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Safran Aircraft Engines SAS
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Abstract

CLINQUANT POUR DIMINUER LES CONTRAINTES DANS UN COL DE PIED D’AUBE DE TURBINE Un aspect de l’invention concerne un clinquant (1) destiné à être monté sur un pied (21) d’aube (2) d’une roue mobile de turbomachine, le clinquant (1) comprenant une base (17), et une première et deuxième branche latérale (12d) reliées entre elles par la base (17), chaque branche latérale (12c, 12d) comprenant : un bord longitudinal (16c, 16d) et une portion bulbe (121c, 121d) comprenant :une partie basse (120c, 120d) s’étendant de la base (17) en s’éloignant vers l’extérieure et une partie de contact (122c, 122d) s’étendant de la portion basse (17) vers son bord longitudinal (16c, 16d) et vers l’autre branche latérale (122d, 122c), la partie de contact (122c) de la première branche latérale (12c) comprend une longueur longitudinale minimale (d) inférieure à la longueur longitudinale minimale (e) de la base (17). Figure à publier avec l’abrégé : Figure 3

Description

CLINQUANT POUR DIMINUER LES CONTRAINTES DANS UN COL DE PIED D’AUBE DE TURBINE
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
Le domaine technique de l’invention est celui des clinquants pour aubes de turbine.
La présente invention concerne un clinquant pour une aube mobile de turbomachine, ainsi qu’un ensemble comprenant une aube mobile dont le pied est muni dudit clinquant.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
Classiquement, une turbine axiale de turbomachine se compose d’une succession d’étages axiaux (selon l’axe de circulation des flux de gaz) disposés les uns derrière les autres. Chaque étage comporte une roue mobile à aubes formant le rotor et un distributeur aubagé formant le stator. La roue mobile est mise en rotation en vis-à-vis du distributeur correspondant.
La roue mobile est classiquement constituée d’un disque annulaire centré sur l’axe de rotation de la roue, comprenant des alvéoles et une pluralité d’aubes mobiles comprenant chacune un membre d’attache appelé dans la suite un pied d’aube dans un logement en forme d’alvéole dédiée.
Dans les zones de contact entre le pied de chaque aube mobile et l'alvéole du disque logeant ce pied, ils s'exercent plusieurs types de contraintes.
On rencontre notamment le « fretting », c'est-à-dire l'usure de contact, qui est la conséquence du frottement répétitif d'une pièce sur une autre, les forces de friction résultantes pouvant engendrer un endommagement de la matière par différents processus de fatigue. Ce phénomène est particulièrement sensible dans le cas du contact entre deux pièces par exemple métalliques ou en CMC.
Ces zones sont donc soumises à une importante tendance à l'endommagement du matériau, ainsi qu'à une usure des portées du pied d'aube qui sont les zones en contact avec la paroi de l'alvéole, voire une déformation de ces zones de contact.
De plus, le niveau des contraintes locales est très élevé du fait du coefficient de frottement à l'interface entre les parois en contact du pied de l'aube et de l'alvéole, formée d'un contact métal/métal. Dans la suite, cette interface est appelée la portée du pied de l'aube et la portée de l'alvéole.
Pour résoudre ces problèmes, on recherche notamment à renforcer la résistance à l'usure des surfaces en contact et à diminuer le coefficient de frottement.
Pour ce faire, généralement on utilise une pièce de protection qui peut être un consommable, formée d'un ou de plusieurs clinquants métalliques chaussant le pied de l'aube sur toute la longueur longitudinale du bulbe du pied d’aube.
Avec ce type de solution, on parvient à diminuer le coefficient de frottement et l’on peut changer le clinquant à la place d’une aube entière.
Par exemple, le document EP2042689A1 propose de recourir à un montage avec un clinquant métallique entre un pied d’aube et un disque.
Sur les aubes de turbine, des clinquants sont placés entre les pieds d’aubes et les alvéoles des disques pour empêcher l’usure de ces pièces. Ceux-ci garantissent l’intégrité mécanique des pièces avec lesquels ils sont en contact.
Pendant le fonctionnement de la turbine, avec l’effort centrifuge, l’ensemble des efforts transitent par ces surfaces de contact sur le pied d’aube. L’épaisseur actuelle des clinquants est généralement de 0.08 mm.
Il a été constaté dans certaines situation des pics de contraintes dans des zones localisées d’un col du pieds d’aubes pouvant entraîner une réduction de vie du pieds d’aube.
La représente une partie basse d’une aube de roue de turbomachine 2.
L’aube 2 comprend une pale aérodynamique 23 dont une petite partie est visible sur la , qui s’étend radialement d’une plateforme 29, l’aube 2 comprend en outre une échasse 28, la plateforme 29 reliant l’échasse 28 à la pale aérodynamique 23. L’aube comprend en outre un pied 21 comprenant un bulbe 211 destiné à s’insérer dans un disque annulaire de la roue et un col 212 s’étendant du bulbe 211 vers l’échasse 28. Le col 212, comprend une portion restreinte qui s’étend à partir du bulbe 211, comprenant une plus petite section par rapport à celle de bulbe 211. Le col 212 comprend dans cet exemple à ses extrémités amont et aval, une portion de liaison 2118a, 2128b, s’étendant vers l’échasse 28. La roue de tubomachine comprend un disque annulaire centré sur l’axe longitudinal comprend des rainures recevant chacune le bulbe de forme correspondante.
Les contraintes mécaniques les plus importantes sont donc localisées dans le col 212 car celui-ci est de plus faible section ou de faible épaisseur par rapport au bulbe 211 du pied 21 et l’échasse 28, et à cause de la force centrifuge qui s’applique sur l’aube 2 en rotation. Les efforts centrifuges sont transmis jusqu’au bulbe 211 par la géométrie du pied de l’aube 2, en particulier, par les parois de l’échasse 28. Les contraintes radiales subies par le pied 21 sont notamment situées au niveau des portions de liaisons 2128a, 2128b aux extrémités amont et aval du col 212 et sont amplifiées par les effets de bord de ces portions de liaison 2128a, 2128b aux extrémités amonts et aval. Cela impacte la tenue mécanique du pied, au niveau du col notamment, et limite la durée de vie des aubes. Une telle dégradation pourrait entraîner des fissures avec débris, voire la rupture de l’aube engendrant des dégâts dans la turbomachine.
Il est connu aussi dans le document FR3090032 une aube de turbomachine comprenant un épaississement local des parois de l’échasse et notamment aux environs de la portion de liaison du col où celles-ci se raccordent pour permettre de réduire les concentrations de contrainte dans le bulbe. La durée de vie de l’aube est alors améliorée.
Cependant, cette solution n’est pas toujours possible pour des raisons d’encombrement et de gain de masse, en effet le design de certaines aubes a été optimisé afin de réduire la masse au maximum. De ce fait, la taille des cols des aubes (longueur/largeur) a été réduite afin de limiter la masse tout en assurant une tenue mécanique acceptable. En outre, cette solution nécessite un changement de design de l’aube et donc ne permet de résoudre le problème sur des aubes déjà produites ou en production.
Les contraintes en col peuvent être plus importantes sur certaines aubes ce qui limite fortement toute flexibilité de marge d’erreur lors de la fabrication de l’aube. Autrement dit, la moindre non-conformité en production (réduction de la longueur ou largeur de col) engendre un risque de non acceptabilité d’un point de vue mécanique et donc un risque accru de rebuter les pièces.
Il existe donc un besoin de réduire de manière simple, économique et efficace les concentrations de contraintes dans le pied de l’aube, notamment au niveau du col.
L’invention offre une solution à au moins un des problèmes évoqués précédemment, en permettant à un clinquant de modifier le chemin des efforts dans le col en fonctionnement et de mieux répartir les contraintes dans le col et de réduire les maximas locaux et ainsi éviter les concentrations de contrainte.
Un premier aspect de l’invention concerne un clinquant destiné à être monté sur un pied d’aube d’une roue mobile d’un rotor de turbomachine et le clinquant comprenant une base, et une première branche latérale et une deuxième branche latérale reliées entre elles par la base, chaque branche latérale comprenant :
  • un bord longitudinal
  • une portion de bulbe ayant une surface externe convexe s’étendant de la base vers le bord longitudinal, la portion bulbe comprenant :
    • une partie basse s’étendant de la base en s’éloignant vers l’extérieure et
    • une partie de contact s’étendant de la portion basse vers son bord longitudinal et vers l’autre branche latérale,
caractérisé en ce que au moins la partie de contact de la première branche latérale comprend une longueur longitudinale minimale inférieure à la longueur longitudinale minimale de la base.
Ainsi, l’invention permet d’avoir un clinquant comprenant une partie de contact destinée à venir sur une partie de longueur de la portée d’un pied d’aube permettant ainsi de diminuer la longueur de contact des flancs actifs (portées) de l’aube avec le disque par le biais du clinquant. Cette diminution permet une modification du chemin des efforts dans le pied en particulier dans le col du pied en fonctionnement et ainsi diminuer les contraintes dans au moins une portion de liaison à une extrémité amonts et ou aval du coté intrados et ou extrados du col et donc réduire les maximas de contraintes locaux. De façon très étonnantes, le fait de réduire la longueur de la partie de contact du clinquant permet donc un effet de répartition de façon plus homogène des contraintes dans le pied.
Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le clinquant 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 :
Selon un mode de réalisation, le clinquant comprend un premier et un deuxième bords latéraux s’étendant sur une extrémité de la base et des branches latérales formant les extrémités longitudinales opposées du clinquant, chaque partie de contact comprenant à ses extrémités longitudinales une partie bord contact du bord latéral délimitant la partie de contact, et en ce que chaque partie bord contact de la partie de contact de la première branche latérale est à équidistance d’un plan traversant perpendiculairement et au milieu de la base et de la première et deuxième branche latérale et est plus proche de ce plan que une partie bord basse de chaque bord latéral délimitant la partie basse de la première branche latérale.
Ainsi, la partie contact est autant plus courte d’’un côté que de l’autre côté par rapport à la base. Cela permet d’avoir cet effet de répartition de façon plus homogène des contraintes du côté aval et amont sur une face longitudinale latérale du pied de l’aube recouverte partiellement par cette partie de contact du clinquant plus courte longitudinalement de chaque côté que la face longitudinale latérale.
Selon un exemple, le clinquant est symétrique par rapport à ce plan. Cela permet d’avoir cet effet de répartition de façon plus homogène des contraintes du côté intrados et extrados du pied d’aube et ainsi de disposer le clinquant dans un sens ou dans l’autre sur le pied de l’aube.
Selon un mode de réalisation, dans lequel dans lequel chaque partie bord contact délimitant la partie contact de la première branche latérale comprend une portion concave s’étendant de la partie bord basse. Cela permet d’augmenter la résistance mécanique du clinquant en particulier contre le pli au niveau de la partie de contact par rapport à la partie basse.
Selon un exemple de ce mode de réalisation, la partie bord basse de chaque bord latéral s’étend chacun dans un même plan qu’une partie du bord délimitant la base du clinquant. Les deux plans sont en particulier parallèles l’un par rapport à l’autre.
Selon un mode de réalisation, le ratio de la longueur longitudinale minimale de la portion de contact sur la longueur longitudinale minimale de la base est compris entre 0.55 et 0.8.
Cela permet de réduire de 20% à 45% la surface de contact entre le disque et le flanc actif de l’aube par le biais du clinquant par rapport à un clinquant recouvrant l’ensemble des flancs actifs. Cette réduction permet de réduire suffisamment le niveau de contraintes maximales en col. En effet, une diminution de la surface de contact de 45 % permet une diminution des contraintes maximales en col de l’ordre 20% et une diminution de la surface de contact de 20% permet une diminution des contraintes maximales en col de l’ordre de 10%.
Selon un exemple, le ratio de la longueur longitudinale minimale de la portion de contact de chaque branche latérale sur la longueur minimale de la base est de 0.6. Un tel ratio permet 40% de réduction de surface recouverte du clinquant sur le flanc recouvert par cette première branche latérale et dans le cas des deux branches latérales identiques, de réduire de 10% à 20% le niveau de contraintes maximales en col du côté intrados et extrados.
Selon un mode de réalisation, l’épaisseur du clinquant est comprise entre 0.09mm et 0.1mm. Cela permet d’augmenter l’épaisseur du clinquant par rapport à un clinquant de 0.08mm pour compenser la perte de longueur de la partie de contact du clinquant.
Selon un mode de réalisation, la deuxième branche latérale est identique à la première branche latérale.
Selon un mode de réalisation, chaque bord longitudinal est rectiligne et en ce que la longueur longitudinale du bord longitudinale est inférieure à la longueur minimale de la base.
Selon un mode de réalisation, chaque branche latérale comprend en outre une portion plane s’étendant entre la partie de contact du bulbe et le bord longitudinal.
Selon un exemple de ce mode réalisation précédent, la portion plane comprend une longueur longitudinale inférieure à la longueur longitudinale de la base.
Selon un exemple de ce mode de réalisation, la partie de contact comprend une longueur longitudinale minimale égale à la longueur longitudinale plane.
Selon un mode de réalisation, la partie de contact comprend une longueur longitudinale minimale inférieure à la longueur longitudinale minimale de la partie basse de la portion bulbe.
Selon un mode de réalisation, le matériau du clinquant est un alliage base cobalt, en particulier du HS25 (DMD0415).
Selon un mode de réalisation, le clinquant comprend une languette s’étendant longitudinalement à partir de la base, la languette destinée à être repliée contre une face radiale du pied d’aube, le bord latéral comprenant une portion formant le contour de la languette. La languette permet de retenir le clinquant axialement. Selon un exemple le clinquant comprend une languette de chaque côté de la base, soit deux languettes pour retenir axialement dans les deux sens le clinquant autour du pied d’aube.
Un deuxième aspect de l’invention concerne un ensemble comprenant :
  • une aube d’une roue mobile autour d’un axe de rotation, comprenant :
    1. une plateforme interne,
    2. une pale aérodynamique s’étendant radialement de la plateforme interne,
    3. une échasse s’étendant radialement de la plateforme interne à l’opposé de la pale aérodynamique,
    4. un pied d’aube s’étendant radialement de cette échasse interne à l’opposé de la plateforme, le pied d’aube comprenant :
      • une première face radiale et une deuxième face radiale opposée longitudinalement à la première face radiale,
      • une première et une deuxième face longitudinale latérale rejoignant chacune chaque face radiale,
      • un bulbe comprenant :
        • une surface de base, s’étendant entre la première face radiale et la deuxième face radiale et entre la première et la deuxième face longitudinale latérale,
        • un flanc sur chaque face longitudinale latérale, comprenant une portée,
      • un col s’étendant du bulbe à l’échasse,
  • un clinquant selon le premier aspect de l’invention avec ou sans les différentes caractéristiques décrites précédemment, caractérisé en ce que la base du clinquant recouvre la surface de base du pieds de l’aube et en ce que la portion de contact de la première et deuxième branches latérales du clinquant est en contact avec la portée du flanc de respectivement la première et deuxième face longitudinale, la portion de contact du clinquant ayant une longueur longitudinale minimale inférieure à la longueur longitudinale du flanc.
Ainsi, l’invention permet de réduire les contraintes dans au moins une extrémité du col du pied d’aube.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention.
est une vue partielle d’une face d’une aube de turbine.
est une vue en perspective et partielle d’un exemple de roue mobile qui comprend un disque et des aubes s’étendant depuis la périphérie du disque de l’aube de turbine.
est une vue latérale d’un ensemble selon l’invention comprenant un clinquant selon l’invention monté sur l’aube de turbine.
est une vue en perspective de l’ensemble selon l’invention.
est une vue de l’autre côté latérale de l’ensemble selon l’invention.
représente schématiquement par des flèches le chemin des efforts sur une portée du flanc du côté intrados du pied de l’aube sans clinquant ou avec un clinquant de l’art antérieur.
représente schématiquement par des flèches le chemin des efforts sur une portée du flanc du côté intrados du pied de l’aube avec un clinquant selon l’exemple de ce premier mode de réalisation.
représente schématiquement une simulation des contraintes sur le col d’un pied de l’aube sans clinquant ou avec un clinquant de l’art antérieur lors d’un décollage d’un avion.
représente schématiquement des contraintes sur le col d’un pied de l’aube avec un clinquant selon l’exemple de ce premier mode de réalisation.

Claims (10)

  1. Clinquant (1) destiné à être monté sur un pied (21) d’aube (2) d’une roue mobile (8) de turbomachine, le clinquant (1) comprenant une base (17), et une première branche latérale (12c) et une deuxième branche latérale (12d) reliées entre elles par la base (17), chaque branche latérale (12c, 12d) comprenant :
    • un bord longitudinal (16c, 16d) et
    • une portion bulbe (121c, 121d) ayant une surface externe convexe s’étendant de la base (17) vers le bord longitudinal (16c, 16d), la portion bulbe (121c, 121d) comprenant :
      • une partie basse (120c, 120d) s’étendant de la base (17) en s’éloignant vers l’extérieure et
      • une partie de contact (122c, 122d) s’étendant de la portion basse (17) vers son bord longitudinal (16c, 16d) et vers l’autre branche latérale (122d, 122c),
    • caractérisé en ce que au moins la partie de contact (122c) de la première branche latérale (12c) comprend une longueur longitudinale minimale (d) inférieure à la longueur longitudinale minimale (e) de la base (17).
  2. Clinquant (1) selon la revendication précédente, comprenant un premier et un deuxième bords latéraux (15a, 15b) s’étendant sur une extrémité de la base (17) et des branches latérales (12c, 12d) formant les extrémités longitudinales opposées du clinquant (1), chaque partie de contact (122c, 122d) comprenant à ses extrémités longitudinales une partie bord contact (152ac, 152ad, 152bc, 152bd) du bord latéral (15a, 15b) délimitant la partie de contact (122c, 122d), et en ce que chaque partie bord contact (152ac, 152bc) de la partie de contact (122c) de la première branche latérale (12c) est à équidistance d’un plan (p) traversant perpendiculairement et au milieu de la base (17) et de la première et deuxième branche latérale (12c, 12d) et est plus proche de ce plan P que une partie bord basse (150ac, 150bc) de chaque bord latéral (15a, 15b) délimitant la partie basse (120c) de la première branche latérale (12c).
  3. Clinquant (1, 1’) selon la revendication précédente, dans lequel dans lequel chaque partie bord contact (152ac, 152bc) délimitant la partie contact (122c) de la première branche latérale (12c) comprend une portion concave s’étendant du bord basse (150ac, 150bc).
  4. Clinquant (1, 1’) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le ratio de la longueur longitudinale minimale (d) de la partie de contact (122c) sur la longueur longitudinale minimale (e) de la base (17) est compris entre 0.55 et 0.8.
  5. Clinquant (1, 1’) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’épaisseur du clinquant est comprise entre 0.09mm et 0.1mm.
  6. Clinquant (1, 1’) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la deuxième branche latérale (12d) est identique à la première branche latérale (12c).
  7. Clinquant (1, 1’) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel chaque bord longitudinal (16c, 16d) est rectiligne et en ce que la longueur longitudinale du bord longitudinale (16c) de la première branche latérale (12c) est inférieure à la longueur minimale (e) de la base (17).
  8. Clinquant (1, 1’) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le matériau du clinquant est un alliage base cobalt, en particulier du HS25 (DMD0415).
  9. Clinquant (1, 1’) selon l’une des revendications précédentes, comprenant une languette (18a, 18b) s’étendant longitudinalement à partir de la base (17), la languette (18a, 18b) étant destinée à être repliée contre une face radiale du pied d’aube, le bord latéral (15a, 15b) comprenant une portion formant le contour de la languette (18a, 18b).
  10. Ensemble comprenant :
    • une aube (2) d’une roue mobile autour d’un axe de rotation, comprenant :
      • une plateforme interne (29)
      • une pale aérodynamique (23) s’étendant radialement de la plateforme interne (29),
      • une échasse (28) s’étendant radialement de la plateforme interne (29) à l’opposé de la pale aérodynamique (23),
      • un pied (21) d’aube (2) s’étendant radialement de cette échasse interne (28) à l’opposé de la plateforme (29), le pied (21) d’aube (2) comprenant :
        1. une première face radiale (23a) et une deuxième face radiale (23b) opposée longitudinalement à la première face radiale (23a),
        2. une première et une deuxième face longitudinale latérale (24c, 24d) rejoignant chacune chaque face radiale (23a, 23b)
        3. une surface de base s’étendant entre chaque face longitudinale latérale (24c, 24d) et chaque face radiale (23a, 23b),
        4. un bulbe (211) comprenant :
          1. une surface de base, s’étendant entre la première face radiale (23a) et la deuxième face radiale (23b) et entre la première et la deuxième face longitudinale latérale (24c),
          2. un flanc (2110c, 2110d) sur chaque face longitudinale latérale (24c, 24d), comprenant une portée,
        5. un col (212) s’étendant de la bulbe (211) à l’échasse (28),
    • un clinquant (1) selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce que la base (17) du clinquant (1) recouvre la surface de base du pieds (21) de l’aube (2) et en ce que la portion de contact (122c, 122d) de la première et deuxième branches latérales (12c, 12d) du clinquant (1) est en contact avec la portée du flanc (2110c) de respectivement la première et deuxième face longitudinale (24c, 24d), la portion de contact (122c, 122d) du clinquant ayant une longueur longitudinale minimale (d) inférieure à la longueur longitudinale du flanc (2110c, 2110d).
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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