FR3130906A1 - Rotor de turbomachine - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un ensemble (8) de turbomachine (1) comprenant : - une pluralité d’aubes (9) ; - un disque (12) centré sur l’axe (X) et comprenant une jante (13) et une pluralité d’alvéoles (14) formées à la périphérie de la jante (13), chaque alvéole (14) étant configurée pour recevoir un pied (10) d’aube correspondant ; et - une pluralité de cales (20) comprenant chacune une première et une deuxième partie (20a, 20b) présentant chacune une face interne (21a, 21b) configurée pour venir en contact avec un première paroi latérale (17a) ou une deuxième paroi latérale (17b) du pied (10) d’aube, respectivement, et une face externe (22a, 22b) configurée pour venir en contact avec un premier flanc (19a) ou un deuxième flanc (19b) de l’alvéole (14), respectivement. Figure pour l’abrégé : Fig. 1
Description
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention concerne un ensemble de rotor ou de stator de turbomachine comprenant un disque de rotor présentant sur sa périphérie extérieure des alvéoles et des aubes fixées par leur pied dans ces alvéoles. L’invention s’applique en particulier à tout type de turbomachine, terrestre ou aéronautique (turboréacteur, turbopropulseur, turbine à gaz terrestre, etc.). Dans le cas particulier d'un turboréacteur d'aéronef, l'invention concerne les aubes mobiles ou fixes de toute section du turboréacteur (turbine, compresseur, soufflante, etc.).
ETAT DE LA TECHNIQUE
Une turbomachine 1 comprend généralement, d’amont en aval dans le sens de l’écoulement des gaz à travers la turbomachine 1, une soufflante 2, un ou plusieurs étages de compresseurs 3, 4, par exemple un compresseur basse pression 3 et un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, un ou plusieurs étages de turbine 6, 7, par exemple une turbine haute pression 6 et une turbine basse pression 7 et une tuyère d’échappement des gaz.
De manière connue en soi, les turbines 6, 7 sont réalisées sous la forme d'une succession d'étages comprenant chacun une roue d'aubes mobiles (rotor) tournant devant une roue d'aubes fixes (stator, ou distributeur) configurés pour convertir de l’énergie de combustion en énergie motrice, afin notamment d’entraîner les étages de compresseurs 3, 4 et la soufflante 2. Les disques de rotor de la turbine 6, 7 sont centrés sur un axe longitudinal X de la turbomachine 1 et sont généralement assemblés entre eux au moyen de viroles au disque amont et au disque aval. Chaque distributeur comprend une pluralité d'aubes fixes réparties circonférentiellement autour de l’axe.
Les roues d’aubes (mobiles ou fixes) comprennent chacune un disque de rotor comprenant une jante et des aubes. Les aubes sont rapportées et fixées dans des alvéoles formées dans la jante du disque et s’étendent radialement depuis la jante. Les aubes sont fixées au disque de rotor par des systèmes d'attache, typiquement des attaches brochées rectilignes ou curvilignes, marteau, ou sapin, qui sont configurées pour retenir radialement le pied d'aube.
Les alvéoles comprennent chacune un fond et deux flancs inclinés qui convergent du disque vers la sortie des alvéoles. Les aubes de turbines, classiquement métalliques, ont des angles de portées (correspondant aux angles de part et d’autre du pied entre la paroi latérale du pied qui fait face au flanc correspondant de l’alvéole et un axe radial d’extension de l’aube) d’environ 45°. En fonctionnement, les aubes sont plaquées sur les portées du disque sous l’effet des efforts centrifuges. Afin de limiter les risques d’usure, l’aube peut comprendre un clinquant métallique monté sur le pied d’aube de sorte à s’étendre entre les parois latérales du pied d’aube et les flancs du disque. Le coefficient de frottement métal / métal étant généralement au plus égal à 0,7 (ce qui correspond à un angle de frottement de 35°), l’aube ne risque pas de se coincer dans le disque dans les conditions normales de fonctionnement, y compris dans le cas d’un d’accélération centrifuge. De plus, les matériaux métalliques ayant des coefficients de dilatation similaires, les variations de température n’impliquent pas (ou peu) d’effet de resserrement du disque sur le pied d’aube.
Toutefois, les aubes, et notamment les aubes mobiles de turbine, peuvent être réalisées en matériau à matrice céramique (CMC, acronyme pour composite à matrice céramique). Ces aubes en matériau CMC comprennent alors une préforme fibreuse tissée ou des rubans textiles unidirectionnels qui ne supportent pas les faibles rayons de courbure et ne doivent pas être coupés au sein de la matière, afin de garantir leurs performances mécaniques et la tenue des aubes en conditions de fonctionnement. De plus, les contraintes mécaniques admissibles du matériau CMC sont relativement faibles. Il en découle que par conception/fabrication, les angles de portées des aubes dont le pied est intégralement réalisé en matériau CMC sont inférieurs ou égaux à 30°. De plus, les contacts CMC / métal ou métal / métal ont des coefficients de frottement, en cours d’utilisation (oxydation, sable, …), qui peuvent dépasser 0,7, de sorte que le pied d’aube en CMC est susceptible de se coincer dans le disque. Enfin, le coefficient de dilatation du matériau CMC étant trois fois plus faible que celui du matériau constitutif métallique du disque, le pied d’aube peut être serré et donc dégradé par le disque lors des phases de refroidissement de la turbomachine.
Un but de l’invention est de remédier aux inconvénients précités, et notamment de proposer une roue d’aubes, fixes ou mobiles, d’une turbomachine, notamment d’une turbine ou d’un compresseur, comprenant des aubes rapportées dans des alvéoles formées dans une jante d’un disque, qui ne risque pas de se coincer dans le disque ni de subir d’effet de resserrement du disque quel que soit le matériau constitutif du pied d’aube, et notamment lorsque le pied d’aube comprend un matériau composite à matrice céramique.
Il est à cet effet proposé, selon un premier aspect de l’invention, un ensemble de turbomachine présentant un axe longitudinal, comprenant :
- une pluralité d’aubes comprenant chacune un pied et une pale à profil aérodynamique s’étendant le long d’un axe d’extension s’étendant radialement par rapport à l’axe longitudinal, chaque pied présentant une première paroi latérale et une deuxième paroi latérale formant chacune un premier angle avec l’axe radial d’extension correspondant ;
- un disque centré sur l’axe et comprenant une jante et une pluralité d’alvéoles formées à la périphérie de la jante, chaque alvéole étant configurée pour recevoir un pied d’aube correspondant et présentant un premier flanc et un deuxième flanc formant un deuxième angle avec l’axe radial d’extension, une différence entre le premier angle et le deuxième angle étant au moins égal à 10° ; et
- une pluralité de cales s’étendant chacune dans une alvéole correspondante entre la première paroi latérale d’un pied correspondant et le premier flanc de l’alvéole et entre la deuxième paroi latérale du pied correspondant et le deuxième flanc de l’alvéole.
- une pluralité d’aubes comprenant chacune un pied et une pale à profil aérodynamique s’étendant le long d’un axe d’extension s’étendant radialement par rapport à l’axe longitudinal, chaque pied présentant une première paroi latérale et une deuxième paroi latérale formant chacune un premier angle avec l’axe radial d’extension correspondant ;
- un disque centré sur l’axe et comprenant une jante et une pluralité d’alvéoles formées à la périphérie de la jante, chaque alvéole étant configurée pour recevoir un pied d’aube correspondant et présentant un premier flanc et un deuxième flanc formant un deuxième angle avec l’axe radial d’extension, une différence entre le premier angle et le deuxième angle étant au moins égal à 10° ; et
- une pluralité de cales s’étendant chacune dans une alvéole correspondante entre la première paroi latérale d’un pied correspondant et le premier flanc de l’alvéole et entre la deuxième paroi latérale du pied correspondant et le deuxième flanc de l’alvéole.
Chaque cale comprend une première et une deuxième partie présentant chacune une face interne configurée pour venir en contact avec la première paroi latérale ou la deuxième paroi latérale du pied, respectivement et une face externe configurée pour venir en contact avec le premier flanc ou le deuxième flanc de l’alvéole, respectivement, un angle entre les faces interne et externe de la première partie et entre les faces interne et externe de la deuxième partie étant sensiblement égal à la différence d’angle entre le premier angle et le deuxième angle.
Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives de l’ensemble selon le premier aspect sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison :
- le premier flanc et le deuxième flanc sont sensiblement plans ;
- la face interne et la face externe de la première partie de la cale sont complémentaires en forme de la première paroi latérale et du premier flanc, respectivement, et la face interne et la face externe de la deuxième partie de la cale sont complémentaires en forme de la deuxième paroi latérale et du deuxième flanc, respectivement ;
- la première et la deuxième partie de chaque cale sont distinctes et séparées ;
- la première et la deuxième partie de chaque cale sont monolithiques et sont raccordées par une troisième partie s’étendant entre une paroi inférieure du pied et un fond de l’alvéole ;
- la troisième partie présente une face supérieure disposée face à la paroi inférieure du pied et comprend en outre un renflement formé dans la face supérieure et configuré pour venir en appui contre la paroi inférieure du pied afin de bloquer la cale par rapport au pied ;
- la troisième partie comprend des zones latérales à proximité des première et deuxième parties de la cale et une zone centrale s’étendant entre les zones latérales, la zone centrale présentant une élasticité supérieure aux zones latérales, de préférence en comportant des ondulations, de sorte à absorber des différences de dilatation entre le pied et la cale ;
- l’ensemble comprend en outre une pluralité d’organes de fixation, chaque organe de fixation étant configuré pour fixer une cale sur un pied d’aube correspondant, chaque organe de fixation comprenant au moins une goupille ; et/ou
- le pied comprend l’un au moins des matériaux suivants : un matériau composite à matrice céramique, un renfort fibreux noyé dans une matrice polymère, un matériau composite type oxyde/oxyde.
- le premier flanc et le deuxième flanc sont sensiblement plans ;
- la face interne et la face externe de la première partie de la cale sont complémentaires en forme de la première paroi latérale et du premier flanc, respectivement, et la face interne et la face externe de la deuxième partie de la cale sont complémentaires en forme de la deuxième paroi latérale et du deuxième flanc, respectivement ;
- la première et la deuxième partie de chaque cale sont distinctes et séparées ;
- la première et la deuxième partie de chaque cale sont monolithiques et sont raccordées par une troisième partie s’étendant entre une paroi inférieure du pied et un fond de l’alvéole ;
- la troisième partie présente une face supérieure disposée face à la paroi inférieure du pied et comprend en outre un renflement formé dans la face supérieure et configuré pour venir en appui contre la paroi inférieure du pied afin de bloquer la cale par rapport au pied ;
- la troisième partie comprend des zones latérales à proximité des première et deuxième parties de la cale et une zone centrale s’étendant entre les zones latérales, la zone centrale présentant une élasticité supérieure aux zones latérales, de préférence en comportant des ondulations, de sorte à absorber des différences de dilatation entre le pied et la cale ;
- l’ensemble comprend en outre une pluralité d’organes de fixation, chaque organe de fixation étant configuré pour fixer une cale sur un pied d’aube correspondant, chaque organe de fixation comprenant au moins une goupille ; et/ou
- le pied comprend l’un au moins des matériaux suivants : un matériau composite à matrice céramique, un renfort fibreux noyé dans une matrice polymère, un matériau composite type oxyde/oxyde.
Selon un deuxième aspect, l’invention propose une turbine ou un compresseur comprenant un ensemble selon le premier aspect, ledit ensemble étant un rotor.
Selon un troisième aspect, l’invention propose un aéronef comprenant au moins une turbomachine comportant un ensemble de turbomachine selon le premier aspect.
DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
La est une vue en coupe partielle d’un exemple d’ensemble de turbomachine conforme à un premier mode de réalisation de l’invention ;
La est une vue en coupe partielle d’un exemple d’ensemble de turbomachine conforme à un deuxième mode de réalisation de l’invention ;
La est une vue en coupe partielle d’un exemple d’ensemble de turbomachine conforme à un troisième mode de réalisation de l’invention ;
La figue 4 est une vue en coupe partielle d’un exemple d’ensemble de turbomachine conforme à un quatrième mode de réalisation de l’invention ;
La illustre de manière très schématique un exemple de turbomachine pouvant comprendre au moins un ensemble de turbomachine conforme à un mode de réalisation de l’invention ; et
La illustre de manière schématique un aéronef comprenant au moins une turbomachine comprenant un ensemble de turbomachine conforme à un mode de réalisation de l’invention.
Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.
Claims (10)
- Ensemble (8) de turbomachine (1) présentant un axe longitudinal (X), notamment un rotor de turbomachine (1), comprenant :
- une pluralité d’aubes (9) comprenant chacune un pied (10) et une pale (11) à profil aérodynamique s’étendant le long d’un axe d’extension (Y) s’étendant radialement par rapport à l’axe (X) longitudinal, chaque pied (10) présentant une première paroi latérale (17a) et une deuxième paroi latérale (17b) formant chacune un premier angle (A1) avec l’axe radial d’extension (Y) correspondant ;
- un disque (12) centré sur l’axe (X) et comprenant une jante (13) et une pluralité d’alvéoles (14) formées à la périphérie de la jante (13), chaque alvéole (14) étant configurée pour recevoir un pied (10) d’aube correspondant et présentant un premier flanc (19a) et un deuxième flanc (19b) formant un deuxième angle (A2) avec l’axe radial d’extension (Y), une différence entre le premier angle (A1) et le deuxième angle (A2) étant au moins égal à 10° ; et
- une pluralité de cales (20) s’étendant chacune dans une alvéole (14) correspondante entre la première paroi latérale (17a) d’un pied (10) correspondant et le premier flanc (19a) de l’alvéole (14) et entre la deuxième paroi latérale (17b) du pied (10) correspondant et le deuxième flanc (19b) de l’alvéole (14) ;
l’ensemble (8) de turbomachine (1) étant caractérisé en ce que chaque cale (20) comprend une première et une deuxième partie (20a, 20b) présentant chacune une face interne (21a, 21b) configurée pour venir en contact avec la première paroi latérale (17a) ou la deuxième paroi latérale (17b) du pied (10), respectivement et une face externe (22a, 22b) configurée pour venir en contact avec le premier flanc (19a) ou le deuxième flanc (19b) de l’alvéole (14), respectivement, un angle entre les faces interne (21a) et externe (22a) de la première partie (20a) et entre les faces interne (21b) et externe (22b) de la deuxième partie (20b) étant sensiblement égal à la différence d’angle entre le premier angle (A1) et le deuxième angle (A2). - Ensemble (8) selon la revendication 1, dans lequel le premier flanc (19a) et le deuxième flanc (19b) sont sensiblement plans.
- Ensemble (8) selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel la face interne (21a) et la face externe (22a) de la première partie (20a) de la cale (20) sont complémentaires en forme de la première paroi latérale (17a) et du premier flanc (19a), respectivement, et la face interne (21b) et la face externe (22b) de la deuxième partie (20b) de la cale (20) sont complémentaires en forme de la deuxième paroi latérale (17b) et du deuxième flanc (19b), respectivement.
- Ensemble (8) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la première et la deuxième partie (20a, 20b) de chaque cale (20) sont distinctes et séparées.
- Ensemble (8) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la première et la deuxième partie (20a, 20b) de chaque cale (20) sont monolithiques et sont raccordées par une troisième partie (23) s’étendant entre une paroi inférieure (18) du pied (10) et un fond (15) de l’alvéole (14).
- Ensemble (8) selon la revendication 5, dans lequel la troisième partie présente une face supérieure disposée face à la paroi inférieure (18) du pied (10) et comprend en outre un renflement (24) formé dans la face supérieure et configuré pour venir en appui contre la paroi inférieure (18) du pied (10) afin de bloquer la cale (20) par rapport au pied (10).
- Ensemble (8) selon l’une des revendications 5 et 6, dans lequel la troisième partie comprend des zones latérales (26) à proximité des première et deuxième parties (20a, 20b) de la cale (20) et une zone centrale (25) s’étendant entre les zones latérales (26), la zone centrale (25) présentant une élasticité supérieure aux zones latérales (26), de préférence en comportant des ondulations, de sorte à absorber des différences de dilatation entre le pied (10) et la cale (20).
- Ensemble (8) selon l’une des revendications 1 à 7, comprenant en outre une pluralité d’organes de fixation (27), chaque organe de fixation (27) étant configuré pour fixer une cale (20) sur un pied (10) d’aube correspondant, chaque organe de fixation (27) comprenant au moins une goupille.
- Ensemble (8) selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel le pied (10) comprend l’un au moins des matériaux suivants : un matériau composite à matrice céramique, un renfort fibreux noyé dans une matrice polymère, un matériau composite type oxyde/oxyde.
- Turbine (6, 7) ou compresseur (3, 4) comprenant un ensemble (8) selon l’une des revendications 1 à 9, ledit ensemble (8) étant un rotor.
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