FR3137126A1 - Ensemble de turbomachine comportant des plateformes ayant des bords pourvus de protubérances et d’échancrures complémentaires - Google Patents

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Fabrice Joël Luc CHEVILLOT
Lucien Henri Jacques QUENNEHEN
Fabrice Marcel Noël GARIN
Romain Claude Gabriel BARDON
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Abstract

L’invention a pour objet un ensemble aubagé de turbomachine s’étendant autour d’un axe (AX), cette turbomachine comprenant un disque portant des aubes (21a-21d), dans lequel chaque aube (21a-21d) s’étend radialement depuis un pied par lequel elle est solidarisée au disque jusqu’à un talon comportant une plateforme (26a-26d), caractérisé en ce que : – il comporte une alternance d’aubes (21a, 21c) précontraintes vers l’amont et d’aubes (21b, 21d) précontraintes vers l’aval, chaque aube (21a, 21c) précontrainte vers l’amont ayant son talon (24c) tendant à se décaler vers l’amont, chaque aube (21b, 21d) précontrainte vers l’aval ayant son talon (24b) tendant à se décaler vers l’aval ; – les paires d’aubes adjacentes ont des plateformes (26a-26d) dont des d’extrémités circonférentielles (27b-27d, 28a-28c) contigus comportent des protubérances (29a-29c) et des échancrures (31b-31d) s’emboîtant ; – chaque protubérance (29a-29c) est pressée dans une échancrure (31b-31d) la recevant selon la direction axiale (AX) par les précontraintes des aubes qui les portent. Figure pour l’abrégé : Figure 4

Description

Ensemble de turbomachine comportant des plateformes ayant des bords pourvus de protubérances et d’échancrures complémentaires
L’invention concerne la réduction des vibrations dans un disque aubagé de turbomachine en service.
 ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Dans un tel turboréacteur 1 représenté en , l'air extérieur est admis dans une manche d'entrée 2 pour traverser une soufflante 3 comportant une série de pales rotatives avant de se scinder en un flux primaire central et un flux secondaire entourant le flux primaire.
Le flux primaire est ensuite compressé dans un premier et un second étage de compression 4 et 5 avant d'arriver dans une chambre de combustion 6, après quoi il se détend en traversant un ensemble de turbines 7 et 8 avant d'être évacué vers l’aval en générant de la poussée. Le flux secondaire est quant à lui propulsé directement vers l'arrière par la soufflante dans une veine délimitée par le carter 9 pour générer une poussée complémentaire.
En pratique, un tel moteur comporte un rotor tournant autour de son axe longitudinal AX, et incluant plusieurs disques portant chacun à sa périphérie externe une série d’aubes ou de pales, ces disques correspondant à la soufflante, aux compresseurs et aux turbines.
Comme représenté sur la , une telle aube 11a comporte un pied 12a par lequel elle est fixée à un disque (non représenté), prolongé par une pale 13a qui s’étend selon une direction d’envergure EVa radiale par rapport à l’axe de rotation. Cette pale 13a est terminée par un talon 14a comportant une plateforme 16a ou talon portant ici deux portions de léchettes 17a, 18a destinées à assurer des fonctions d’étanchéité.
Les aubes portées par un même disque ont la même morphologie, de sorte que l’aube 11b circonférentiellement contiguë avec l’aube 11a sur la , comporte les mêmes composants repérés par les mêmes références numériques mais complétées par la lettre « b » au lieu de la lettre « a ».
La périphérie externe d’un disque aubagé est ainsi délimitée par les plateformes des aubes qu’il porte, qui s’étendent contigument les unes aux autres pour délimiter conjointement une virole périphérique sensiblement cylindrique.
En fonctionnement, ces aubes subissent des températures élevées et des efforts centrifuges importants, qui tendent à accroître leur longueur selon leur direction d’envergure. Dans ces conditions, les plateformes contiguës, qui sont jointives lorsque la turbomachine est à l’arrêt, tendent à s’espacer circonférentiellement les unes des autres lorsque la turbomachine est en service, cet espacement ou jeu étant repéré par J sur la .
Compte tenu des excitations vibratoires présentes dans une telle turbomachine, cette situation peut conduire à des modes vibratoires des aubes par lesquels leurs plateformes tendent à s’entrechoquer circonférentiellement les unes avec les autres, ce qui est susceptible de les dégrader.
De tels modes vibratoires peuvent apparaître sur les aubes rotatives c’est-à-dire portées par des disques, mais aussi apparaître dans des aubes fixes c’est-à-dire portées par un élément fixe tel qu’un redresseur situé par exemple en aval d’un disque aubagé de soufflante ou de compresseur pour réduire la giration du flux ayant traversé les aubes rotatives.
Une solution pour amortir les modes vibratoires est de précontraindre chaque aube en torsion lors de leur montage sur le disque. Dans ce cas, les plateformes tendent à tourner autour de leurs axes d’envergure, de sorte que les bords des plateformes de deux aubes adjacentes restent en appui l’une contre l’autre malgré les effets des efforts centrifuges et de la dilatation thermique. En fonctionnement, les modes vibratoires des aubes engendrent des frottements au niveau des appuis des plateformes ce qui permet d’amortir ces modes vibratoires par friction.
Dans ce cadre, l’invention a pour objet d’apporter une solution pour limiter les modes vibratoires de disques aubagés, notamment pour le cas d’aubes en matériau composite à matrice céramique ayant une précontrainte admissible plus basse que celle des aubes en alliage métallique.
A cet effet, l’invention a pour objet un ensemble aubagé de turbomachine s’étendant circonférentiellement autour d’un axe de rotation, et comprenant des aubes, dans lequel chaque aube s’étend radialement par rapport à l’axe de rotation jusqu’à un talon situé à une extrémité radial libre de l’aube, ce talon comportant une plateforme, caractérisé en ce que :
– il comporte, circonférentiellement agencées autour de l’axe de rotation, une alternance d’aubes précontraintes vers l’amont et d’aubes précontraintes vers l’aval, chaque aube précontrainte vers l’amont ayant son talon tendant à se décaler vers l’amont, chaque aube précontrainte vers l’aval ayant son talon tendant à se décaler vers l’aval ;
– les paires d’aubes circonférentiellement adjacentes ont des plateformes dont des bords d’extrémités circonférentielles circonférentiellement contigus comportent des protubérances et des échancrures s’emboîtant mutuellement les unes dans les autres ;
– chaque protubérance est en contact axial dans une échancrure la recevant ce contact étant maintenu par les précontraintes des aubes qui les portent.
Avec cet agencement, les aubes ont à être précontraintes essentiellement selon la direction axiale, ce qui simplifie significativement la mise en œuvre d’une solution d’amortissement de modes vibratoires.
L’invention concerne également un ensemble aubagé ainsi défini, dans lequel les protubérances et les échancrures présentent globalement chacune une forme de parallélogramme.
L’invention concerne également un ensemble aubagé ainsi défini, dans lequel les protubérances et les échancrures s’étendent selon une direction principalement circonférentielle par rapport à l’axe de rotation.
L’invention concerne également un ensemble aubagé ainsi défini, dans lequel chaque bord d’extrémité circonférentielle de plateforme comporte plusieurs protubérances ou plusieurs échancrures.
L’invention concerne également un ensemble aubagé ainsi défini, dans lequel chaque plateforme comporte un d’extrémité circonférentielle pourvu d’au moins une échancrure, et un autre bord d’extrémité circonférentielle circonférentiellement opposé qui est pourvu d’au moins une protubérance.
L’invention concerne également un ensemble aubagé ainsi défini, dans lequel les aubes sont en matériau composite à matrice céramique.
L’invention concerne également un ensemble aubagé ainsi défini, dans lequel les aubes sont précontraintes par décalage selon l’axe de rotation de leurs pieds par rapport au disque qui les porte selon une direction essentiellement axiale.
L’invention concerne également un ensemble aubagé ainsi défini, dans lequel les aubes sont précontraintes en étant incurvées vers l’amont ou vers l’aval lorsque vues dans un plan contenant l’axe de rotation.
L’invention concerne également une turbomachine comprenant un ensemble ainsi défini.
– La est une vue en coupe longitudinale d’un turboréacteur connu ;
– La est une vue en perspective de deux aubes circonférentiellement adjacentes équipant un disque rotatif selon un agencement connu de l’Etat de la technique ;
– La est une vue en perspective de deux aubes circonférentiellement adjacentes équipant un disque rotatif selon l’invention ;
– La est une vue de dessus des plateformes de quatre aubes circonférentiellement adjacentes selon l’invention ;
– La est une vue de dessus montrant partiellement deux plateformes circonférentiellement contiguës selon une première variante de l’invention ;
– La est une vue de dessus montrant partiellement deux plateformes circonférentiellement contiguës selon une deuxième variante de l’invention ;
– La est une vue de dessus montrant partiellement deux plateformes circonférentiellement contiguës selon une troisième variante de l’invention ;
– La est une vue latérale d’un premier exemple montrant schématiquement la précontrainte d’une aube par décalage vers l’amont ;
– La est une vue latérale d’un deuxième exemple montrant schématiquement la d’une aube résultant d’une modification de sa courbure ;
– La est une vue partielle d’un élément de rotor de turbomachine équipé d’aubes selon l’invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
L’idée à la base de l’invention est d’assurer l’amortissement vibratoire en prévoyant des plateformes ayant des bords longitudinaux pourvus de protubérances et d’échancrures qui s’emboîtent mutuellement, et que les aubes soient précontraintes en alternance vers l’amont et vers l’aval, pour presser axialement ces emboîtements.
Sur la , une aube 21b comporte un pied 22b par lequel elle est fixée à un disque (non représenté), prolongé par une pale 23b s’étendant selon une direction d’envergure EVb radiale par rapport à l’axe de rotation du disque. Cette pale 23b est terminée par un talon 24b comportant une plateforme 26b délimitée par deux bords d’extrémités circonférentielles 27b et 28b selon la direction circonférentielle, ces bords d’extrémités circonférentielles étant les bords longitudinaux de la plateforme.
Une autre aube 21c, voisine de l’aube 21b sur la et qui a la même morphologie, comporte les mêmes éléments désignés par les mêmes références numériques mais terminées par la lettre « c » au lieu de la lettre « b ». Ces deux aubes sont portées par un même disque non représenté qui tourne autour d’un axe de rotation lorsque le moteur est en service.
Comme visible plus clairement sur la , le bord d’extrémité circonférentielle opposé 28b de la plateforme 26b comporte une protubérance 29b ou excroissance qui prolonge circonférentiellement la plateforme 26b selon la direction circonférentielle à un niveau situé à la moitié de sa longueur selon l’axe de rotation AX de cette aube. Cette protubérance a une forme d’ergot qui dépasse du bord 28b, en étant délimité par un contour ayant la forme de la lettre U. Cette forme de contour est donnée à titre d’exemple, attendu que fonctionnellement, une forme délimitant deux surfaces de contact est suffisante.
Complémentairement, le bord 27c de la plateforme 26c, qui est en vis-à-vis (au regard) du bord 28b, comporte dans sa région centrale une échancrure 31c ou logement, dont la forme est complémentaire de celle de la protubérance 29b. Cette échancrure a elle aussi une forme en U, de dimensions légèrement supérieures à celle de la protubérance 29b afin de la recevoir. Les plateformes 26b et 26c sont ainsi emboîtées selon la direction circonférentielle par l’engagement de la protubérance 29b dans l’échancrure 31b. Cette forme d’échancrure est aussi donnée à titre d’exemple, attendu que fonctionnellement, une forme délimitant deux surfaces de contact est suffisante.
Comme illustré sur la , les protubérances peuvent avoir des formes rectangulaires à extrémité arrondie, et de même pour les échancrures correspondantes. En général, les protubérances et les échancrures ont des formes globalement de parallélogrammes.
Par ailleurs, et comme illustré sur la , les protubérances et les échancrures peuvent s’étendre selon une direction sensiblement inclinée par rapport à la direction circonférentielle au lieu de s’étendre selon cette direction circonférentielle.
Afin d’accroître les surfaces de contact, il est également possible de prévoir, comme sur la , que les bords d’extrémités circonférentielles de deux plateformes contiguës soient pourvus l’un de plusieurs protubérances 29b, 29b’, et l’autre de plusieurs échancrures correspondantes 31c, 31c’.
De manière plus générale, chaque plateforme comporte un bord longitudinal, c’est-à-dire un bord d’extrémité circonférentielle de cette plateforme, pourvu d’une protubérance et son bord longitudinal opposé qui est pourvu d’une échancrure de même forme, de sorte que toutes les plateformes sont emboîtées les unes avec les autres selon la direction circonférentielle.
Ainsi, et comme visible sur la , une plateforme 26a d’une aube 21a adjacente à l’aube 21b comporte un bord d’extrémité circonférentielle 28a qui est pourvu d’une protubérance 29a engagée circonférentiellement dans une échancrure correspondante 31b formée dans le bord d’extrémité circonférentielle 27b de la plateforme 26b, qui est contigu au bord 28a. Le bord d’extrémité circonférentielle opposé 28b de la plateforme 26b a sa protubérance 29b engagée dans l’échancrure 31c du bord 27c de la plateforme 26c contiguë à la plateforme 26b. Et de la même façon, le bord d’extrémité circonférentielle opposé 28c de la plateforme 26c comporte une protubérance 29c qui est engagée dans une échancrure correspondante 31d formé dans un bord d’extrémité circonférentielle 27d contigu d’une autre plateforme 26d portée par une aube 21d circonférentiellement adjacente à l’aube 21c.
Complémentairement à l’emboîtement des plateformes adjacentes les unes avec les autres de par leurs protubérances et leurs échancrures respectives, ces aubes circonférentiellement adjacentes sont précontraintes dans des sens opposés selon la direction axiale, comme l’indiquent les flèches sur la . Ces précontraintes permettent de maintenir les protubérances et les échancrures dans lesquelles elles sont emboîtées en appui les unes contre les autres selon la direction axiale AX.
Plus particulièrement, les aubes 21b et 21d sont précontraintes pour tendre continuellement à décaler leurs plateformes vers l’aval, alors que les aubes 21a et 21c sont précontraintes pour tendre continuellement à décaler leurs plateformes vers l’amont.
La précontrainte d’une aube vers l’amont peut être assurée en décalant son pied vers l’amont le long de l’axe AX par rapport aux autres aubes, comme illustré schématiquement sur la . De façon analogue, la précontrainte d’une aube vers l’aval peut être obtenue en décalant sont pied vers l’aval par rapport aux autres aubes. On entend ici par décalage le long de l’axe AX un décalage de l’aube le long de son axe d’engagement dans le disque, cet axe d’engagement usuellement appelé axe de brochage pouvant être légèrement incliné par rapport à l’axe AX.
Il est aussi possible de prévoir d’une part des aubes incurvées vers l’amont pour qu’elles soient précontraintes vers l’amont, comme illustré dans l’exemple de la , et d’autre part des aubes légèrement précontraintes vers l’aval pour qu’elles soient précontraintes vers l’aval.
Ainsi, différentes solutions relativement simples existent pour obtenir des précontraintes ou compensations différentes selon la direction axiale sur les aubes, celles-ci étant agencées de façon alternée autour du disque pour être précontraintes alternativement vers l’amont et vers l’aval.
L’alternance de précontrainte peut être obtenue en prévoyant une alternance d’aubes sans compensation et d’aubes ayant une compensation vers l’amont ou bien d’aubes ayant une compensation vers l’aval. Lorsque l’ensemble est monté, l’appui exercé par les aubes non compensées sur les aubes compensées engendre alors nécessairement une alternance de précontrainte vers l’amont et vers l’aval.
Dans ces conditions, les protubérances emboîtées dans les échancrures correspondantes axialement en contact et en appui les unes sur les autres permettent d’amortir les modes vibratoires. Plus particulièrement, lorsque les plateformes de deux aubes circonférentiellement adjacentes se rapprochent et s’éloignent circonférentiellement l’une de l’autre sous l’effet d’un mode vibratoire, l’appui axial de la protubérance de l’une dans l’échancrure de l’autre engendre des efforts de friction qui s’opposent à ces déplacements, pour amortir le mode vibratoire, voire de l’annuler, par dissipation d’énergie.
Cet amortissement fonctionne également en cas de mode vibratoire engendrant des déplacements différentiels des plateformes selon leurs directions radiales (directions d’envergures). De plus, en cas de mode vibratoire présentant des déplacements axiaux, le système limite les vibrations car l’amplitude de vibration entre deux aubes adjacentes est limitée par le jeu fonctionnel entre la protubérance et l’échancrure par lesquelles elles sont reliées.
Comme on l’aura compris, le degré de précontrainte des aubes vers l’amont et vers l’aval est dimensionné pour générer un effort presseur au niveau des contacts entre extrémités de léchettes permettant de dissiper l’énergie résultant des modes vibratoires.
Dans l’exemple des figures 3 et 4, chaque aube comporte un bord d’extrémités circonférentielles pourvu d’une protubérance et un bord d’extrémités circonférentielles opposé pourvu d’une échancrure, de sorte que les aubes ont des plateformes qui sont toutes identiques. Une autre possibilité pourrait consister à prévoir une alternance comportant d’une part des aubes dont les bords d’extrémités circonférentielles ont chacun une échancrure et d’autre part des aubes dont les bords d’extrémités circonférentielles ont chacun une protubérance. Il est également possible de prévoir plusieurs excroissances et échancrures sur un même bord de manière à augmenter la surface de contact.
Un ensemble aubagé comportant des aubes selon l’invention peut appartenir à un élément de rotor de turbomachine, tel que le disque de rotor DR dont une partie est représentée sur la . Les aubes 21a, 21b peuvent alors être montées par leurs pieds dans des alvéoles correspondantes de ce disque DR en constituant une couronne d’aubes 21a, 21b qui entourent le disque DR tout en étant portées par celui-ci.
D’une manière générale, l’invention a été présentée pour des aubes rotatives comportant une plateforme et au moins une portion de léchette fabriquées en matériau de type CMC, mais l’invention s’applique également à des aubes en alliage métallique.

Claims (9)

  1. Ensemble aubagé de turbomachine s’étendant ciconférentiellement autour d’un axe de rotation (AX) et comprenant des aubes (21a-21d), dans lequel chaque aube (21a-21d) s’étend radialement par rapport à l’axe de rotation (AX) jusqu’à un talon (24b, 24c) situé à une extrémité libre de l’aube (21a-21d) et comportant une plateforme (26a-26d), caractérisé en ce que :
    – il comporte, circonférentiellement agencées autour de l’axe de rotation (AX), une alternance d’aubes (21a, 21c) précontraintes vers l’amont et d’aubes (21b, 21d) précontraintes vers l’aval, chaque aube (21a, 21c) précontrainte vers l’amont ayant son talon (24c) tendant à se décaler vers l’amont, chaque aube (21b, 21d) précontrainte vers l’aval ayant son talon (24b) tendant à se décaler vers l’aval ;
    – les paires d’aubes circonférentiellement adjacentes ont des plateformes (26a-26d) dont les bords des extrémités circonférentielles (27b-27d, 28a-28c) circonférentiellement contigus comportent des protubérances (29a-29c) et des échancrures (31b-31d) s’emboîtant mutuellement les unes dans les autres ;
    – chaque protubérance (29a-29c) est en contact axial dans une échancrure (31b-31d) la recevant ce contact étant maintenu par les précontraintes des aubes qui les portent.
  2. Ensemble aubagé selon la revendication 1, dans lequel les protubérances (29a-29c) et les échancrures (31a-31c) présentent globalement chacune une forme de parallélogramme.
  3. Ensemble aubagé selon la revendication 2, dans lequel les protubérances (29a-29c) et les échancrures (31a-31c) s’étendent selon une direction principalement circonférentielle par rapport à l’axe de rotation (AX).
  4. Ensemble aubagé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel chaque bord d’extrémité circonférentielle (28b, 27c) de plateforme comporte plusieurs protubérances (29b, 29b’) ou plusieurs échancrures (31c, 31c’).
  5. Ensemble aubagé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel chaque plateforme (26a-26d) comporte un bord d’extrémité circonférentielle (27b-27d) pourvu d’au moins une échancrure (31b-31d), et un autre bord d’extrémité circonférentielle (28a-28c) circonférentiellement opposé qui est pourvu d’au moins une protubérance (29a-29c).
  6. Ensemble aubagé selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel les aubes sont en matériau composite à matrice céramique.
  7. Ensemble aubagé selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel les aubes sont précontraintes par décalage selon l’axe de rotation de leurs pieds par rapport au disque qui les porte.
  8. Ensemble aubagé selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel les aubes sont précontraintes en étant incurvées vers l’amont ou vers l’aval lorsque vues dans un plan contenant l’axe de rotation.
  9. Turbomachine comprenant un ensemble aubagé selon l’une des revendications 1 à 8.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2005026501A1 (fr) * 2003-09-10 2005-03-24 Hitachi, Ltd. Aube de rotor de turbine
US20190032497A1 (en) * 2017-07-31 2019-01-31 Rolls-Royce Corporation Frequency tuning option for turbine blades

Patent Citations (2)

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