WO2010072968A1 - Roue mobile de turbomachine a aubes en materiau composite munie d'un anneau ressort - Google Patents

Roue mobile de turbomachine a aubes en materiau composite munie d'un anneau ressort Download PDF

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composite material
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Stéphane BLANCHARD
Alain Gendraud
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    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the present invention relates to the general field of turbomachine blades of composite material comprising a fiber reinforcement densified by a matrix.
  • the targeted field is that of the paddle wheels made of composite material for aeronautical engines or industrial turbines.
  • the embodiment of blades of composite material for turbomachines has already been proposed.
  • patent application FR 08 58090 (not yet published) filed jointly with the names Snecma and Snecma Propulsion Solide, which describes the manufacture of a turbomachine blade by producing a fibrous preform by three-dimensional weaving and densification of the preform by a matrix.
  • a mobile impeller with metal vanes In the case of a mobile impeller with metal vanes, it generally comprises a plurality of metal vanes mounted by their feet on a metal disk and a metal casing disposed around the moving wheel.
  • the free end of the blades is generally provided with radial wipers and an abradable material is mounted on an inner surface of the housing opposite the wipers.
  • the disk, the blades and the casing which surrounds the wheel expand so that the wipers carried by the blades abrade the abradable material carried by the casing. In this way, the game left to the assembly between the top of the blades and the housing tends to disappear, which limits the gas leaks.
  • the main object of the present invention is therefore to overcome such disadvantages by proposing a turbine engine impeller wheel of composite material whose sealing with the casing which surrounds it can be ensured in operation.
  • a mobile wheel comprising an annular mounting flange; a plurality of blades of composite material mounted on the mounting flange by their feet, each blade further having a heel apex provided with radial wipers intended to abrade an abradable material carried by a casing surrounding the wheel; an orientation disk fixed coaxially around the mounting flange and comprising at its outer periphery a plurality of axial slots open at one end, each slot having a cross section adapted to the cross section of a blade root to maintain it angularly by form cooperation; and a variable diameter spring ring partially housed in an axial notch formed in each blade root and projecting axially with respect thereto, the spring ring being able to come into radial abutment against an inner surface of the disk of orientation during a radial displacement of the blades to the outside of the mounting flange.
  • the mobile wheel according to the invention is mounted cold inside the casing leaving a radial clearance between the blades louvettes and the abradable material carried by the casing.
  • the blades move radially outwardly of the mounting flange, driving the spring ring which abuts against the orientation disc.
  • the radial clearance between the blades of the blades and the abradable material can be filled in operation.
  • the tightness between the mobile wheel and the housing which surrounds it is thus perfectly ensured in operation
  • the spring ring may be made of a material capable of expanding thermally so that its diameter varies according to the temperature to which it is subjected.
  • the spring ring may also be open so that its diameter varies when subjected to centrifugal force.
  • the mounting flange comprises at an upstream end an outwardly projecting side wall, the orientation disc being fixed on the mounting flange against a downstream end thereof.
  • the invention also relates to a turbomachine comprising at least one moving wheel as defined above.
  • FIG. 1 is a partial perspective and exploded view of a mobile wheel according to the invention
  • FIG. 2 is a view of the wheel of FIG. 1 when assembled
  • Figures 3A and 3B are longitudinal sectional views of the wheel of Figures 1 and 2, respectively cold and hot;
  • FIG. 4 is a sectional view along IV-IV of Figure 3A.
  • FIG. 5 is a partial view in perspective of a spring ring that can be used in the wheel according to the invention.
  • the invention is applicable to various types of mobile wheels provided with turbomachine composite material blades, in particular mobile compressor and turbine wheels of different gas turbine bodies, for example a wheel.
  • mobile low-pressure turbine of an aviation turbine engine such as that illustrated in Figures 1 to 4.
  • upstream and downstream will be defined with respect to the direction of flow of the gas stream passing through the low-pressure turbine.
  • the impeller 2 shown in FIGS. 1 to 4 comprises in particular an annular metal mounting flange 4 which is centered on the axis of rotation 6 of the wheel.
  • the mounting flange 4 comprises in particular an axial wall 8 extending on the one hand upstream by a radially upstream radial wall 10 (that is to say in the opposite direction to the axis of rotation 6), and secondly downstream by a radial downstream wall 12 provided with bores 14.
  • the movable wheel 2 also comprises a plurality of blades 16 of composite material each having a blade root 18 which is mounted on the mounting flange 4, and more precisely against the axial wall 8 and the radial upstream wall 10.
  • Each blade 16 is made of composite material from methods known to those skilled in the art. For example, reference may be made to patent application FR 08 58090, which describes the manufacture of such a blade comprising a fibrous reinforcement obtained by three-dimensional weaving of yarns and densified by a matrix.
  • Each blade 16 is also provided at its free end (or vertex) with a heel 20, the latter being provided with radial wipers 22 intended to abrade, in a manner known per se, an abradable material 24 mounted on the inner surface a metal annular housing centered on the axis 6 and surrounding the moving wheel (not shown in the figures). As shown more specifically in Figure 1, each blade 16 also comprises at its foot 18 an axial notch 26 made on the downstream side.
  • the movable wheel 1 further comprises a metal orientation disc 28 which is fixed coaxially around the mounting flange 4.
  • This orientation disc 28 is more precisely mounted around the mounting flange downstream. At its downstream end, it comprises a radial attachment wall 30 which bears axially against the radial downstream wall 12 of the mounting flange 4, this attachment wall 30 being provided with bores 32.
  • Fastening systems for example screw / nut type # through the respective holes 14, 32 of the mounting flange 4 and the orientation disc 28 allow to fix the orientation disc on the mounting flange.
  • the orientation disk 28 comprises an axial wall 34 provided with a plurality of axial slots 36 which are open at their upstream end.
  • Each slot 36 has, in cross section (that is to say in a radial plane perpendicular to the axis 6), a section adapted to the cross section of a corresponding blade root 18 (see Figure 4). .
  • the slots 36 of the orientation disc can maintain angularly each blade root by shape cooperation, that is to say, to avoid any rotation of the blade roots around their main axis.
  • the movable wheel 2 finally comprises a spring ring 38 which is housed in part in the axial slots 26 of the feet 18 of the blades so as to project axially relative thereto.
  • the spring ring 38 is of variable diameter, that is to say that it can, depending on the thermal and / or physical conditions to which it is subjected, see its diameter increase.
  • the spring ring can thus be made of a material capable of expanding thermally so that its diameter varies as a function of the temperature to which it is subjected.
  • the spring ring can be made of metal type steel-cobalt or steel-nickel.
  • the spring ring may also be open so that its diameter varies when subjected to centrifugal force.
  • Figure 5 partially shows an example of a spring ring 38 which is open.
  • the spring ring 38 is not continuous over its entire circumference and has at its two free ends 40 of substantially flat portions which overlap angularly. It will be readily understood that when a centrifugal force is applied to such a spring ring (i.e. when it is subjected to a radial force), the two free ends 40 will have a tendency to deviate one from the other. on the other, thus increasing the diameter of the ring.
  • the spring ring can still have all of these features (made of a material that can expand thermally and be open). It is also possible to play on the section of the spring ring. Furthermore, as shown in particular in FIGS. 3A and 3B, the spring ring 38 is arranged radially between the axial wall 8 of the mounting flange 4 and the internal surface 34a of the axial wall 34 of the orientation disc 28. so, when the blades 16 move radially outwardly of the mounting flange 4 ( Figure 3B), the spring ring 38 abuts against the inner surface 34a of the axial wall 34 of the orientation disc.
  • the operation of the mobile wheel 2 according to the invention is as follows.
  • the blades 16 are mounted on the mounting flange 4, their respective feet 18 coming into radial abutment against the axial wall 8 of the mounting flange.
  • the orientation disc 28 is then fixed around the mounting flange to lock the blade roots in rotation.
  • This cold mounting makes it possible to leave a radial clearance J between the wipers 22 of the heel 20 of the blades and the abradable material 24.
  • This radial clearance J is calculated to correspond substantially to the radial clearance i 'existing cold between the spring ring 38 and the inner surface 34a of the axial wall 34 of the orientation disk 28.
  • the spring ring 38 which also increases its diameter (by thermal expansion and / or by the effect of the centrifugal force), dampens this radial displacement of the blades to the outside and ensure a radial abutment of these vanes (by cooperation with the inner surface 34a of the axial wall 34 of the orientation disk 28), the seal between the movable wheel and the housing that surrounds it is thus perfectly ensured in operation

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Abstract

L'invention concerne une roue mobile de turbomachine à aubes en matériau composite, comportant un flasque de montage (4), une pluralité d'aubes (16) en matériau composite montées sur le flasque de montage, chaque aube ayant un talon (20) en sommet muni de léchettes (22), un disque d'orientation (28) fixé coaxialement autour du flasque de montage et comprenant à sa périphérie extérieure une pluralité de fentes axiales ouvertes à une extrémité, chaque fente présentant une section transversale adaptée à la section transversale d'un pied (18) d'aube afin de le maintenir angulairement par coopération de forme, et un anneau ressort à diamètre variable (38) logé en partie dans une encoche axiale (26) formée dans chaque pied d'aube et faisant saillie axialement par rapport à celui-ci, l'anneau ressort étant apte à venir en butée radiale contre une surface interne (34a) du disque d'orientation lors d'un déplacement radial des aubes vers l'extérieur du flasque de montage.

Description

Roue mobile de turbomachine à aubes en matériau composite munie d'un anneau ressort
Arrière-plan de [Invention La présente invention se rapporte au domaine général des aubes de turbomachine en matériau composite comportant un renfort fibreux densifié par une matrice.
Le domaine visé est celui des roues mobiles à aubes en matériau composite pour moteurs aéronautiques ou turbines industrielles. La réalisation d'aubes en matériau composite pour des turbomachines a déjà été proposée. On pourra par exemple se référer à la demande de brevet FR 08 58090 (non publiée à ce jour) déposée conjointement aux noms de Snecma et de Snecma Propulsion Solide qui décrit la fabrication d'une aube de turbomachine par réalisation d'une préforme fibreuse par tissage tridimensionnel et densification de la préforme par une matrice.
Dans le cas d'une roue mobile à aubes métalliques, celle-ci comporte généralement une pluralité d'aubes métalliques montées par leur pied sur un disque métallique et un carter métallique disposé autour de la roue mobile.
Lors du montage (à froid) de la roue mobile à l'intérieur du carter, il est nécessaire de laisser un jeu radial entre le sommet des aubes et le carter qui entoure la roue mobile. Or, en fonctionnement (à chaud), ce jeu peut être à l'origine de fuites de gaz entre le sommet des aubes et le carter.
Afin de réduire le risque que de telles fuites apparaissent, l'extrémité libre des aubes est généralement munie de léchettes radiales et un matériau abradable est monté sur une surface interne du carter en regard des léchettes. En fonctionnement de la roue mobile, le disque, les aubes et le carter qui entoure la roue se dilatent de sorte que les léchettes portées par les aubes viennent abraser le matériau abradable porté par le carter. De la sorte, le jeu laissé au montage entre le sommet des aubes et le carter a tendance à disparaître, ce qui limite les fuites de gaz.
En revanche, dans le cas d'une roue mobile comprenant des aubes en matériau composite, les différences de dilatation entre la roue (en partie en matériau composite par ses aubes) et le carter (métallique) peuvent être importantes. II en résulte qu'en fonctionnement à chaud, Ie jeu radial laissé au montage entre les léchettes des aubes et Ie matériau abradable du carter ne disparaît pas complètement, ce qui a pour conséquence que l'étanchéité entre la roue mobile et le carter n'est plus totalement assurée.
Obiet et résumé de l'invention
La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant une roue mobile de turbomachine à aubes en matériau composite dont l'étanchéité avec le carter qui l'entoure peut être assurée en fonctionnement.
Selon l'invention, ce but est atteint grâce à une roue mobile comportant un flasque annulaire de montage ; une pluralité d'aubes en matériau composite montées sur le flasque de montage par leur pied, chaque aube ayant en outre un talon en sommet muni de léchettes radiales destinées à venir abraser un matériau abradable porté par un carter entourant la roue ; un disque d'orientation fixé coaxialement autour du flasque de montage et comprenant à sa périphérie extérieure une pluralité de fentes axiales ouvertes à une extrémité, chaque fente présentant une section transversale adaptée à la section transversale d'un pied d'aube afin de le maintenir angulairement par coopération de forme ; et un anneau ressort à diamètre variable logé en partie dans une encoche axiale formée dans chaque pied d'aube et faisant saillie axialement par rapport à celui-ci, l'anneau ressort étant apte à venir en butée radiale contre une surface interne du disque d'orientation lors d'un déplacement radial des aubes vers l'extérieur du flasque de montage.
La roue mobile selon l'invention est montée à froid à l'intérieur du carter en laissant un jeu radial entre les léchettes des aubes et Ie matériau abradable porté par le carter. En fonctionnement, sous l'effet de Ia force centrifuge exercée par Ia roue, les aubes se déplacent radialement vers l'extérieur du flasque de montage, entraînant l'anneau ressort qui vient en butée radiale contre Ie disque d'orientation. De Ia sorte, le jeu radial entre les léchettes des aubes et Ie matériau abradable peut être comblé en fonctionnement. L'étanchéité entre la roue mobile et le carter qui l'entoure est ainsi parfaitement assurée en fonctionnement L'anneau ressort peut être réalisé dans un matériau apte à se dilater thermiquement de sorte que son diamètre varie en fonction de la température à laquelle il est soumis. L'anneau ressort peut aussi être ouvert de sorte que son diamètre varie lorsqu'il est soumis à une force centrifuge.
Selon une disposition de l'invention, le flasque de montage comprend à une extrémité amont une paroi latérale faisant saillie vers l'extérieur, le disque d'orientation étant fixé sur le flasque de montage contre une extrémité aval de celui-ci. L'invention concerne également une turbomachine comportant au moins une roue mobile telle que définie précédemment.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :
- la figure 1 est une vue partielle en perspective et en éclaté d'une roue mobile selon l'invention ; - la figure 2 est une vue de la roue de la figure 1 une fois assemblée ;
- les figures 3A et 3B sont des vues en coupe longitudinale de la roue des figures 1 et 2, respectivement à froid et à chaud ;
- la figure 4 est une vue en coupe selon IV-IV de la figure 3A ; et
- la figure 5 est une vue partielle et en perspective d'un anneau ressort pouvant être utilisé dans la roue mobile selon l'invention.
Description détaillée d'un mode de réalisation L'invention est applicable à différents types de roues mobiles munies d'aubes en matériau composite de turbomachine, notamment des roues mobiles de compresseur et de turbine de différents corps de turbines à gaz, par exemple une roue mobile de turbine basse-pression d'une turbomachine aéronautique, telle que celle illustrée par les figures 1 à 4. Pour la suite de la description, les termes « amont » et « aval » seront définis par rapport au sens d'écoulement du flux gazeux traversant la turbine basse-pression.
La roue mobile 2 représentée sur les figures 1 à 4 comporte notamment un flasque annulaire de montage 4 métallique qui est centré sur l'axe de rotation 6 de la roue. Le flasque de montage 4 comprend notamment une paroi axiale 8 se prolongeant, d'une part vers l'amont par une paroi amont radiale 10 dirigée vers l'extérieur (c'est-à-dire en sens opposé à l'axe de rotation 6), et d'autre part vers l'aval par une paroi aval radiale 12 munie de perçages 14.
La roue mobile 2 comprend également une pluralité d'aubes 16 en matériau composite ayant chacune un pied d'aube 18 qui est monté sur le flasque de montage 4, et plus précisément contre la paroi axiale 8 et la paroi amont radiale 10. Chaque aube 16 est réalisée en matériau composite à partir de procédés connus de l'homme du métier. On pourra par exemple se référer à la demande de brevet FR 08 58090 qui décrit la fabrication d'une telle aube comprenant un renfort fibreux obtenu par tissage tridimensionnel de fils et densifié par une matrice. Chaque aube 16 est par ailleurs munie à son extrémité libre (ou sommet) d'un talon 20, celui-ci étant pourvu de léchettes radiales 22 destinées à venir abraser, de façon connue en soi, un matériau abradable 24 monté sur la surface interne d'un carter annulaire métallique centré sur l'axe 6 et entourant la roue mobile (non représenté sur les figures). Comme représenté de façon plus précise sur la figure 1, chaque aube 16 comprend également au niveau de son pied 18 une encoche axiale 26 pratiquée du côté aval.
La roue mobile 1 comprend encore un disque d'orientation 28 métallique qui est fixé coaxîalement autour du flasque de montage 4. Ce disque d'orientation 28 est plus précisément monté autour du flasque de montage par l'aval. Au niveau son extrémité aval, il comprend une paroi radiale d'attache 30 qui vient en appui axial contre la paroi aval radiale 12 du flasque de montage 4, cette paroi d'attache 30 étant munie de perçages 32. Des systèmes de fixation (non représentés sur les figures), par exemple de type vis/écrou# traversant les perçages 14, 32 respectifs du flasque de montage 4 et du disque d'orientation 28 permettent d'assurer une fixation du disque d'orientation sur le flasque de montage.
Au niveau de sa périphérie extérieure, Ie disque d'orientation 28 comprend une paroi axiale 34 munie d'une pluralité de fentes axiales 36 qui sont ouvertes à leur extrémité amont. Chaque fente 36 présente, en coupe transversale (c'est-à-dire selon un plan radial perpendiculaire à l'axe 6), une section adaptée à la section transversale d'un pied d'aube 18 correspondant (voir la figure 4). De la sorte, les fentes 36 du disque d'orientation permettent de maintenir angulairement chaque pied d'aube par coopération de forme, c'est-à-dire d'éviter toute rotation des pieds d'aube autour de leur axe principal.
La roue mobile 2 comprend enfin un anneau ressort 38 qui est logé en partie dans les encoches axiales 26 des pieds 18 des aubes de sorte à faire saillie axialement par rapport à celui-ci. L'anneau ressort 38 est à diamètre variable, c'est-à-dire qu'il peut, en fonction des conditions thermiques et/ou physiques auxquelles il est soumis, voir son diamètre augmenter.
L'anneau ressort peut ainsi être réalisé dans un matériau apte à se dilater thermiquement de sorte que son diamètre varie en fonction de la température à laquelle il est soumis. A titre d'exemple, l'anneau ressort peut être réalisé en métal du type acier-cobalt ou acier-nickel.
L'anneau ressort peut également être ouvert de sorte que son diamètre varie lorsqu'il est soumis à une force centrifuge. La figure 5 représente de façon partielle un exemple d'un anneau ressort 38 qui est ouvert. Sur cette figure 5, l'anneau ressort 38 n'est pas continu sur toute sa circonférence et présente à ses deux extrémités libres 40 des portions sensiblement planes qui se chevauchent angulairement. On comprend aisément que lorsqu'une force centrifuge est appliquée à un tel anneau ressort (c'est-à-dire lorsqu'il est soumis à une force radiale), les deux extrémités libres 40 vont avoir tendance à s'écarter l'une de l'autre faisant ainsi augmenter le diamètre de l'anneau.
L'anneau ressort peut encore présenter l'ensemble de ces caractéristiques (réalisé en un matériau pouvant se dilater thermiquement et être ouvert). Il est également possible de jouer sur la section de l'anneau ressort. Par ailleurs, comme représenté notamment sur les figures 3A et 3B, l'anneau ressort 38 est disposé radialement entre la paroi axiale 8 du flasque de montage 4 et Ia surface interne 34a de la paroi axiale 34 du disque d'orientation 28. De la sorte, lorsque les aubes 16 se déplacent radialement vers l'extérieur du flasque de montage 4 (figure 3B), l'anneau ressort 38 vient en butée radiale contre la surface interne 34a de Ia paroi axiale 34 du disque d'orientation.
Le fonctionnement de la roue mobile 2 selon l'invention est le suivant. A froid (figures 3A et 4), les aubes 16 sont montées sur le flasque de montage 4, leur pied respectif 18 venant en butée radiale contre la paroi axiale 8 du flasque de montage. Le disque d'orientation 28 est alors fixé autour du flasque de montage afin de bloquer en rotation les pieds des aubes. Ce montage à froid permet de laisser un jeu radial J entre les léchettes 22 du talon 20 des aubes et le matériau abradable 24. Ce jeu radial J est calculé pour correspondre sensiblement au jeu radial i' existant à froid entre l'anneau ressort 38 et la surface interne 34a de la paroi axiale 34 du disque d'orientation 28.
A chaud (figure 3B), c'est-à-dire en fonctionnement de la roue mobile, le carter portant le matériau abradable 24, le flasque de montage 4 et le disque d'orientation 28 qui sont métalliques se dilatent sous l'effet de la chaleur dégagée par les gaz traversant la turbine de sorte que leur diamètre respectif augmente. Quant aux aubes 16 qui sont réalisées en matériau composite, elles ne se dilatent que très faiblement. Par ailleurs, sous l'effet de la force centrifuge générée par la rotation de la roue mobile, les aubes 16 vont avoir tendance à se déplacer radialement vers l'extérieur du flasque de montage 4 de sorte à faire disparaître le jeu radial J entre les léchettes 22 du talon 20 des aubes et le matériau abradable 24. L'anneau ressort 38, qui voit également son diamètre augmenter (par dilatation thermique et/ou par effet de la force centrifuge), permet d'amortir ce déplacement radial des aubes vers l'extérieur et d'assurer une mise en butée radiale de ces aubes (par coopération avec la surface interne 34a de la paroi axiale 34 du disque d'orientation 28), L'étanchéité entre la roue mobile et le carter qui l'entoure est ainsi parfaitement assurée en fonctionnement

Claims

REVENDICATIONS
1. Roue mobile (2) de turbomachine à aubes en matériau composite, caractérisée en ce qu'elle comporte : un flasque annulaire de montage (4) ; une pluralité d'aubes (16) en matériau composite montées sur le flasque de montage par leur pied (18), chaque aube ayant en outre un talon (20) en sommet muni de léchettes radiales (22) destinées à venir abraser un matériau abradable (24) porté par un carter entourant la roue ; un disque d'orientation (28) fixé coaxialement autour du flasque de montage et comprenant à sa périphérie extérieure une pluralité de fentes axiales (36) ouvertes à une extrémité, chaque fente présentant une section transversale adaptée à la section transversale d'un pied d'aube afin de le maintenir angulairement par coopération de forme ; et un anneau ressort à diamètre variable (38) logé en partie dans une encoche axiale (26) formée dans chaque pied d'aube et faisant saillie axialement par rapport à celui-ci, l'anneau ressort étant apte à venir en butée radiale contre une surface interne (34a) du disque d'orientation lors d'un déplacement radial des aubes vers l'extérieur du flasque de montage.
2. Roue selon la revendication 1, dans laquelle l'anneau ressort (38) est réalisé dans un matériau apte à se dilater thermiquement de sorte que son diamètre varie en fonction de la température à laquelle il est soumis.
3. Roue selon l'une des revendications 1 et 2, dans laquelle l'anneau ressort (38) est ouvert de sorte que son diamètre varie lorsqu'il est soumis à une force centrifuge.
4. Roue selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le flasque de montage (4) comprend à une extrémité amont une paroi radiale (10) faisant saillie vers l'extérieur, le disque d'orientation (28) étant fixé sur le flasque de montage contre une extrémité aval de celui-ci.
5. Turbomachine comportant au moins une roue mobile (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4.
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