FR3129685A1 - Aube de moteur d’aéronef comprenant un talon avec un assemblage en puzzle - Google Patents

Abstract

Des talons (6) aux extrémités d’aubes mobiles de turbomachines sont assemblés entre eux par des reliefs comprenant des excroissances (16) d’un côté et des renfoncements (17) de forme analogue de l’autre, les excroissances (16) ayant une tête (18) s’élargissant vers l’extérieur et délimitées par deux côtés obliques (19) et (20) en contact pendant le fonctionnement aux les côtés homologues des renfoncements (17), avec une pression de friction apte à amortir les vibrations de fonctionnement qui produisent des petits mouvements entre les aubes. Ces emboîtements à la façon d’un puzzle ont l’avantage de s’accommoder d’une précontrainte faible ou même nulle sur les côtés (19) et (20) à l’état de repos, et de contraintes modérées en fonctionnement. Des constructions de l’aube en matériaux peu élastiques deviennent possibles. Figure pour l’abrégé : Figure 5.

Description

Aube de moteur d’aéronef comprenant un talon avec un assemblage en puzzle

Le sujet de l’invention est une aube de moteur d’aéronef comprenant un talon avec un assemblage en puzzle.

Les aubes 1 dont il est question ici ( ) sont montées circonférentiellement autour d’un axe d’une turbomachine d’aéronef ; elles sont soutenues dans un moyeu 2 traversé par des alvéoles s’ouvrant vers l’extérieur en direction radiale et orientés dans la direction axiale X-X du moyeu 2 et du moteur, éventuellement avec une obliquité. Les alvéoles sont occupés par des pieds 3 des aubes 1. Des plateformes 4 qui peuvent être tronconiques s’étendent de façon annulaire ou selon des secteurs d’anneau autour du moyeu 2. Elles relient les pieds 3 à des pales 5 qui constituent la partie principale des aubes 1 et leur confèrent leur rôle aérodynamique. Les pales 5 s’étendent principalement radialement vers l’extérieur à partir de plateformes radialement internes 4, jusqu’à des talons 6 à l’extrémité radialement externe des aubes 1. Les talons 6 comportent notamment des plateformes externes 7, en forme de secteurs d’anneau pouvant être tronconique comme les plateformes internes 4, et qui forment encore un anneau continu ou quasiment continu une fois assemblées.

Or les aubes des turbomachines sont sujettes à des excitations vibratoires quand le moteur fonctionne. Une solution connue pour limiter leur réponse vibratoire et les contraintes mécaniques correspondantes consiste à introduire des contacts frottants entre les talons 6 des aubes 1 circonférentiellement adjacentes, afin d’amortir les vibrations de leur assemblage.

On se reporte à la pour décrire succinctement en quoi consiste la façon classique d’introduire un contact frottant dans ce domaine. Les plateformes 7 des talons 6 sont munies d’une excroissance 8 à une face latérale 9, et d’un renfoncement 10 de forme correspondante à l’autre face latérale 11, opposée à la précédente. Les faces latérales 9 et 11 sont dirigées dans une direction de circonférence θ ou tangentielle du moteur, perpendiculairement à une direction axiale X-X comme à une direction radiale R, de sorte que la première face latérale 9 de chacune des aubes 1 fait face à la seconde face latérale 11 d’une aube 1 adjacente respective. Les excroissances 8 sont généralement du côté d’extrados 12 des pales 5, et les renfoncements 10 du côté de leur intrados 13, mais des agencements inverses sont concevables.

Les formes des excroissances 8 et des renfoncements 10 sont typiquement trapézoïdales en s’étrécissant vers leur extrémité pour les premières, vers leur fond pour les seconds. Leurs dimensions et leurs positions sont telles qu’un jeu subsiste entre les talons 6 des aubes 1 circonférentiellement adjacentes quand leur montage est effectué, sauf entre une paire de côtés obliques de chaque excroissance 8 et chaque renfoncement 10, qui forment alors une interface de friction 14, ici proche du côté amont et du bord d’attaque 15 des pales 5. Ces côtés obliques en contact frottant sont normalement couverts d’un revêtement résistant à l’usure.

Quand le moteur des aubes 1 est mis en mouvement, les vibrations produites exercent des petits mouvements sur les aubes 1 et sur leurs interfaces de friction 14, qui y dissipent de l’énergie et produisent l’amortissement recherché. Il faut ajouter que les forces aérodynamiques produisent en principe des moments de torsion autour de la direction radiale R, dans le sens τ, qui tendent à renforcer la pression de contact à l’interface de friction 14 et donc l’importance des frottements. Et comme une précontrainte s’exerce déjà sur les talons 6 au repos à cause du contact existant à l’interface de friction 14, une telle technique exploitant les déformations de torsion des pales 5 est dite « technique de prétorsion ».

Cette technique est décrite dans plusieurs documents publiés ; on citera en particulier les documents FR2970999 B1 et FR3077601 B1, qui détaillent des propositions pour l’appliquer à des aubes en matière composite, malgré les réserves qu’on mentionne maintenant.

L’agencement décrit, généralement satisfaisant, souffre toutefois d’insuffisances. La pression de contact peut diminuer de façon aléatoire pendant le fonctionnement, du fait de mouvements de torsion différents ou de différences de mouvements entre aubes 1 adjacentes dans la direction de circonférence θ. On est donc amené à privilégier des valeurs importantes de prétorsion au repos afin de maintenir un amortissement suffisant en toutes circonstances. Le montage devient alors plus difficile, et surtout l’introduction de précontraintes importantes est impossible avec certains matériaux qu’on voudrait employer au lieu des métaux métalliques classiquement utilisés, comme les CMC (Composites à Matrice Céramique), pour lesquels des précontraintes fortes ou excessives en regard des valeurs admissibles risqueraient d’être exigées si on reproduisait simplement les dispositifs connus conçus pour des matériaux différents. Une autre considération est que les CMC se dilatent environ trois fois moins que les matériaux métalliques environnant les aubes 1, ce qui se traduit par des augmentations d’écartements entre les talons 6 adjacents à l’état chaud, et donc à une diminution de l’effort de contact pendant le fonctionnement du moteur.

Un objet de l’invention est donc de proposer une forme différente d’interaction entre les talons 6 des aubes 1 pour produire de l’amortissement par friction, qui soit dépourvue des inconvénients mentionnés et qui convienne bien à des matériaux tels que les CMC.

Sous une forme générale, l’invention est relative à une aube de moteur d’aéronef, le moteur s’étendant autour d’un axe, l’aube comprenant une pale et un talon à une extrémité de la pale, le talon ayant deux côtés latéraux opposés dans une direction de circonférence autour de l’axe, destinés à être joints à des talons d’aube circonférentiellement adjacents, un des côtés latéraux ayant une excroissance en saillie dans la direction de circonférence et l’autre des côtés latéraux ayant un renfoncement dans la direction de circonférence configuré pour recevoir l’excroissance, le renfoncement et l’excroissance ayant des formes emboîtables, caractérisée en ce que l’excroissance et le renfoncement sont configurés de sorte à empêcher par leur emboîtement un éloignement de leurs talons d’aubes respectifs, circonférentiellement adjacents, dans la direction de circonférence

L’emboîtement des formes entre le renfoncement et l’excroissance signifie ici que l’excroissance est retenue dans le renfoncement du talon d’une aube circonférentiellement voisine identique lorsque les aubes sont montées sur un moyeu commun du moteur, en butant contre une paroi du renfoncement si les talons des aubes s’écartent l’un de l’autre dans la direction de la circonférence de l’anneau auquel ils appartiennent, par exemple durant le fonctionnement du moteur.

Avantageusement, l’excroissance est en forme d’un bulbe s’élargissant dans une direction axiale du moteur, perpendiculaire à la direction de circonférence, en s’éloignant du talon ; le bulbe comporte un côté d’extrémité rectiligne ; l’excroissance comprend une portion de liaison rectiligne entre le bulbe et une plateforme du talon, et reliant le bulbe à la plateforme.

Avantageusement encore, l’excroissance comprend deux côtés rectilignes obliques par rapport à la direction de circonférence, s’écartant en s’éloignant du talon.

Ces côtés peuvent être symétriques.

Avantageusement, l’excroissance est située entre deux léchettes qui s’étendent radialement en saillie vers l’extérieur de la plateforme à partir de laquelle s’étend l’excroissance.

L’agencement proposé est particulièrement envisagé comme avantageux pour les aubes de turbines basse pression, mais il pourrait être employé dans d’autres parties de moteur d’aéronef.

Un autre aspect de l’invention est un moteur d’aéronef comprenant une couronne d’aubes avec des aubes conformes à ce qui précède, les excroissances pénétrant respectivement dans les renfoncements, caractérisée par la présence d’un jeu de montage entre les excroissances et les renfoncements. En d’autres termes, un jeu positif existe partout à des jonctions entre les excroissances et les renfoncements à un état de repos du moteur.

Un autre aspect encore de l’invention est un moteur d’aéronef comprenant une couronne d’aubes avec des aubes conformes à ce qui précède et notamment pourvues des côtés rectilignes obliques, caractérisé par un jeu (positif) de montage entre les côtés obliques des excroissances et des côtés obliques, leur faisant face, des renfoncements.

Il est attendu que ces jeux puissent devenir négatifs à un état de fonctionnement à chaud du moteur.

L’invention sera maintenant décrite en liaison aux figures suivantes qui en représentent une réalisation concrète et qui permettront de mieux saisir ces différents aspects, caractéristiques et avantages :

- la , déjà décrite, illustre un cercle d’aube comportant un talon à l’extrémité libre ;

- la , déjà décrite, illustre un agencement connu fondé sur la prétorsion ; et

- les , , et illustrent une réalisation particulière de l’invention.

D’après ces figures 3 à 6, les excroissances 8 et les renfoncements 10 de forme trapézoïdale sont remplacés par des excroissances 16 et des renfoncements 17 en forme de bulbe ou de queue d’aronde, comprenant, pour les excroissances 16, une tête 18 à l’extrémité extérieure (dans la direction de circonférence θ), qui s’élargit vers l’extrémité et comporte donc deux côtés latéraux 19 et 20 rectilignes avec une obliquité importante par rapport à cette direction de circonférence θ, et une portion de liaison 21 rectiligne, qui relie la tête 18 à la plateforme 7, dont la largeur est constante et qui est donc limitée par deux côtés latéraux, prolongeant les côtés latéraux 19 et 20 précédents et orientés dans la direction tangentielle 20. La tête 18 s’élargit donc dans la direction axiale X-X du moteur quand on se déplace vers son extrémité (opposée à la plateforme 7) dans la direction de circonférence θ. De façon correspondante, les renfoncements 17 comportent, à partir des faces latérales 11, des premières portions 23 de largeur constante s’enfonçant dans la plateforme 7, et des secondes portions 24 ou portions de fond s’élargissant vers le fond des renfoncements 17. La tête 18 a un côté d’extrémité plat, c’est-à-dire rectiligne qui relie les côtés latéraux 19 et 20, et s’étendant parallèlement à la direction axiale X-X ; le fond du renfoncement 17 a les mêmes caractéristiques.

L’excroissance 16 et le renfoncement 17 sont avantageusement, mais pas nécessairement, inclus entre des léchettes 26 (arêtes circulaires de joints à labyrinthe) érigées sur la plateforme 7. Leurs formes sont ici complémentaires, c’est-à-dire semblables ou analogues avec de petites différences de dimensions pour que l’excroissance 16 puisse tenir dans le renfoncement 17 d’une aube 1 voisine. Cette complémentarité de formes n’est pas non plus nécessaire à la bonne réalisation de l’invention.

La illustre que des emboîtements à jeu réduit des excroissances 16 dans les renfoncements 17 sont obtenus, avec une configuration ressemblant à celle des jeux de puzzle. L’intérêt est toutefois que, pendant les rotations du cercle d’aube, les deux côtés latéraux 19 et 20 des têtes 18 des excroissances 16 sont en principe en contact respectif avec les deux côtés correspondants des portions de fond 24 des renfoncements 17 à cause des forces centrifuges et des augmentations d’écartement produites entre les talons 6 des aubes. Cet agencement est assez insensible aux mouvements différentiels de torsion entre les aubes 1, car la diminution de pression à un des côtés 19 ou 20 est compensée par une augmentation à peu près semblable de la pression à l’autre côté 20 ou 19.

Un amortissement assez uniforme devrait donc être obtenu pendant le fonctionnement du moteur, et il est possible en raison de cela de construire l’agencement avec une précontrainte réduite au montage sur les côtés soumis à la friction. De façon encore plus remarquable, on peut même envisager de se passer de précontrainte au repos, car les écartements produits en fonctionnement entre les talons 6 produiront forcément un contact des côtés latéraux 19 et 20 avec les côtés des renfoncements 17 qui leur font face. L’assemblage du cercle des aubes 1 devient alors très facile : les côtés latéraux 19 et 20 notamment, voire tous les côtés des excroissances 16, sont alors montés dans les renfoncements 17 avec un jeu positif vis-à-vis des côtés leur faisant respectivement face des renfoncements 17. Cet état particulier est représenté à la , où le jeu positif au repos porte la référence 25. Grâce à cette particularité, qui distingue fortement l’invention de la conception antérieure de prétorsion où les écartements inévitables entre talons d’aubes adjacentes sont nuisibles, un montage sans contrainte importante peut être obtenu en toutes circonstances, ce qui permet d’utiliser facilement des matériaux, comme le CMC, peu élastiques ou moins élastiques que les métaux usuels. Les excroissances 16 pourraient être construites en forme de plot, c’est-à-dire avec une hauteur plus grande dans la direction radiale R, afin de garantir une superficie inchangée de frottement même en cas de défauts de prolongement des plateformes 7 des aubes 1 voisines.

Les autres caractéristiques des aubes 1 ne sont pas modifiées par l’invention, et le savoir-faire connu leur est applicable. En particulier, il reste possible de pourvoir les côtés latéraux 19 et 20, et les côtés qui leur font face des renfoncements 17, de revêtements anti-usure.

Claims (11)

1. Aube (1) de moteur d’aéronef le moteur s’étendant autour d’un axe (X-X), l’aube comprenant une pale (5) et un talon (6) à une extrémité de la pale (5), le talon (6) ayant deux côtés latéraux opposés dans une direction de circonférence (θ) autour de l’axe (X-X), destinés à être disposés circonférentiellement en regard de talons (6) d’aube circonférentiellement adjacents, un des côtés latéraux ayant une excroissance (18) en saillie dans la direction de circonférence et l’autre des côtés latéraux ayant un renfoncement (17) dans la direction de circonférence configuré pour recevoir l’excroissance (18), le renfoncement (17) et l’excroissance (18) ayant des formes emboîtables, caractérisée en ce que l’excroissance (18) et le renfoncement (17) sont configurés de sorte à empêcher par leur emboîtement un éloignement de leurs talons d’aubes respectifs, circonférentiellement adjacents, dans la direction de circonférence (θ).
2. Aube selon la revendication 1, caractérisée en ce que l’excroissance (18) est en forme d’un bulbe s’élargissant dans une direction axiale (X-X) du moteur, perpendiculaire à la direction de circonférence (θ), en s’éloignant du talon (6).
3. Aube selon la revendication 2, caractérisée en ce que le bulbe comporte un côté d’extrémité rectiligne.
4. Aube selon l’une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que l’excroissance comprend une portion de liaison (21) rectiligne entre le bulbe et la plateforme (7) du talon (6), et reliant le bulbe à la plateforme (7).
5. Aube selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l’excroissance (18) comprend deux côtés rectilignes obliques (19, 20) par rapport à la direction de circonférence, s’écartant en s’éloignant du talon (6).
6. Aube selon la revendication 5, caractérisée en ce que lesdits côtés rectilignes obliques sont symétriques.
7. Aube selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l’excroissance (18) est située entre deux léchettes (26) qui s’étendent radialement en saillie vers l’extérieur de la plateforme (7) à partir de laquelle s’étend l’excroissance (18).
8. Aube selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu’elle est une aube de turbine basse pression.
9. Aube selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu’elle est en CMC (Composite à Matrice Céramique).
10. Moteur d’aéronef comprenant une couronne d’aubes avec des aubes conformes à l’une quelconque des revendications précédentes, les excroissances (18) pénétrant respectivement dans les renfoncements (17), caractérisé par la présence d’un jeu de montage entre les excroissances (18) et les renfoncements (17).
11. Moteur d’aéronef comprenant une couronne d’aubes avec des aubes conformes à la revendication 5, caractérisé par la présence d’un jeu de montage entre les côtés obliques des excroissances (18) et des côtés obliques, leur faisant face, des renfoncements (17).