WO2014083290A1 - Rotor de turbomachine ou de moteur d'essai - Google Patents

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WO2014083290A1
WO2014083290A1 PCT/FR2013/052904 FR2013052904W WO2014083290A1 WO 2014083290 A1 WO2014083290 A1 WO 2014083290A1 FR 2013052904 W FR2013052904 W FR 2013052904W WO 2014083290 A1 WO2014083290 A1 WO 2014083290A1
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wheel
rotor according
tubular element
rotor
bore
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PCT/FR2013/052904
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English (en)
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Thibaut JAVOY
Frédéric PATARD
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Snecma
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/06—Rotors for more than one axial stage, e.g. of drum or multiple disc type; Details thereof, e.g. shafts, shaft connections
    • F01D5/066—Connecting means for joining rotor-discs or rotor-elements together, e.g. by a central bolt, by clamps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
    • F01D21/003—Arrangements for testing or measuring
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/26—Antivibration means not restricted to blade form or construction or to blade-to-blade connections or to the use of particular materials

Definitions

  • the present invention relates to a turbomachine rotor or test engine.
  • test engine comprising at least one test module of the new engine which is associated with elements intended to reproduce as accurately as possible the architecture and operating conditions of the engine, particularly in terms of performance, operability, mechanical strength, service life, thermal, ventilation, vibration, and overall dynamics.
  • This test engine further comprises adaptation parts which are designed for: the installation of the instrumentation, to ensure the main functions of operation (ventilation, lubrication, degassing, etc.), to ensure the bench testing (bench suspension, adaptation and bench interface, etc.), ensure specific operating conditions (input distortion, variable-pitch vanes, variable nozzle, endoscopy, etc.).
  • a test engine generally comprises a rotor comprising at least one wheel, in particular a centrifugal compressor wheel, the axial bore of which is traversed by at least one elongated tubular element coaxial with the wheel and integral in rotation with wheel.
  • a test engine may comprise a high pressure module to be tested, this module comprising upstream and downstream compression stages, the last of which is centrifugal and a turbine, the wheels of the compression stages and the turbine comprising axial bores which are traversed by two coaxial rods extending one inside the other.
  • a first tubular cylindrical cane said ventilation pipe extends inside the bores of the wheels (in particular the wheel) and a second tubular cylindrical rod called measuring rod extends inside the first rod.
  • the downstream ends of the rods are attached to the wheel concerned and their upstream ends are mounted axially sliding on internal cylindrical surfaces of a rotor element.
  • the purpose of the ventilation duct is notably to define with the internal surfaces of the wheel bores (in particular the impeller) an annular space for the axial passage of a ventilation air flow. This annular space is also used for the passage of electrical supply son of measuring instruments.
  • the measurement rod is specific to a test engine and has particular function to ensure the routing of the instrumentation son of almost all measurements of the rotor. This rod should guide the best son to avoid any potential imbalance due to the mass of off-center son.
  • a turbomachine may comprise wheels whose axial bores are traversed by a shaft, a cane, a sleeve, and / or a tube for example degassing.
  • the aforementioned trend of decreasing motor sizes and increasing rotational speeds of the rotors may cause dynamic mode coincidence problems of these elements with the operating range of the motor.
  • the invention aims in particular to provide a simple, effective and economical solution to at least part of these problems.
  • turbomachine or test motor rotor comprising at least one wheel, in particular a centrifugal compressor wheel, mounted to rotate about an axis and having an axial bore traversed by at least one tubular element. coaxial and integral in rotation of the wheel, characterized in that
  • said first tubular element comprises discrete means of radial support on an inner bearing surface of the bore of the wheel (in particular of the impeller) and,
  • the inventors have furthermore found that this solution is particularly effective since it enables the first dynamic mode of bending of the element (said first tubular element), such as a rod, to be sufficiently removed from the operating range of the motor. without questioning the architecture of the whole and taking into account the possible technological constraints of a test engine.
  • the support means are intended to bear radially on the inner surface of the bore of the wheel to limit the deformations, in particular in bending, of the element in operation.
  • the invention is particularly advantageous because only the element can be modified, the wheel concerned not being impacted and may be identical to those used in the prior art.
  • the invention does not modify the existing architectures and can therefore be easily introduced on existing engines in order to solve problems of overall dynamics.
  • the element is for example a ventilation pipe of a test engine comprising a high-pressure module to be tested.
  • the element is a sheath, a shaft or a tube.
  • the support means are preferably located at a distance from the axial ends of the element. They are for example located midway from the axial ends of the element.
  • the support means comprise studs projecting from an outer cylindrical surface of the element with which they preferably form a single piece.
  • the pads are configured to bear radially on the inner surface of the bore of the wheel. They maintain the element at radial distance from the inner surface of the bore of the wheel and can define between them circumferential spaces for passage of a flow of ventilation air and electrical son of instrumentation of the rotor.
  • the pads are preferably regularly distributed around the longitudinal axis of the element to prevent the formation of an imbalance. They are for example three in number.
  • the pads preferably have an aerodynamic profile to limit the pressure losses of the aforementioned air flow. For example, they have rounded edges.
  • the geometry of the studs is preferably optimized so as to minimize the constraints in the studs. Indeed, the speed of rotation can be very important (for example of the order of 26 000 rpm), the stresses in the element are mainly tangential. Optimized shapes with respect to the stresses can therefore be put in place in order to validate the mechanical strength of the part.
  • Each pad has a radially outer surface that is convexly curved and is substantially complementary to the inner surface of the wheel bore.
  • the contact between the pads and the inner surface of the bore of the wheel is made on a surface and not on an edge, which limits the risk of damage to the wheel and crack initiation.
  • the bore of the wheel being a critical area from a standpoint of mechanical strength, it is imperative not to degrade the surface condition of its inner surface.
  • each pad may be coated with a thin layer (for example less than 1 mm thick) of a less hard material than that of the wheel, this material being for example an alloy based on nickel, chromium and aluminum.
  • the studs may have an axial dimension greater than that of the axial bore of the wheel. This prevents the axial ends of the studs from bearing on the inner surface of the bore of the wheel (which could degrade this internal surface), even in the case where the element would move axially in operation due to differential expansion. .
  • bearing pads having radiating bearing surfaces and having a length greater than that of the bore of the wheel ensures a maximum support surface of the pads, thus optimizing the effectiveness of the support vis-à-vis the dynamic mode.
  • the rotor according to the invention may comprise another coaxial tubular element extending inside the aforementioned element and comprising radial support means on an inner surface of the aforementioned element, the support means of the elements extending in the same plane perpendicular to the longitudinal axis of the rotor and passing substantially through the aforementioned wheel.
  • the second tubular element has a dynamic mode that coincides with the operating range of the engine.
  • This other element is for example a measurement rod.
  • the support means of this other element may be similar to those of the first element. They may for example comprise at least three studs regularly distributed around the longitudinal axis of the rotor, each stud of the inner member being aligned in radial direction with a stud of the outer member.
  • the present invention also relates to a turbomachine or test engine comprising a rotor as described above.
  • FIG. 1 is a partial schematic view in axial section of a turbomachine test engine
  • FIG. 2 is an enlarged view of part of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a schematic perspective view of a radial support means of the ventilation pipe of the test motor of Figure 1;
  • FIG. 4 is a very schematic cross-sectional view of the pad of Figure 3;
  • FIG. 5 is a schematic front view of the ventilation rod mounted in the axial bore of the impeller of the test motor of Figure 1;
  • FIG. 6 is another schematic front view of the measurement and ventilation rods of the test motor of FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a turbomachine test engine comprising, in particular, a high pressure module which comprises, from upstream to downstream, in the direction of flow of the gases in the engine, a compressor 10 of which the last stage 12 is centrifugal and which feeds an annular combustion chamber (not shown), and a turbine 14. The rest of the engine is not shown for clarity.
  • a high pressure module which comprises, from upstream to downstream, in the direction of flow of the gases in the engine, a compressor 10 of which the last stage 12 is centrifugal and which feeds an annular combustion chamber (not shown), and a turbine 14. The rest of the engine is not shown for clarity.
  • the compressor 10 comprises three axial stages each comprising a wheel 16 with vanes followed by a rectifier (not shown), the last centrifugal stage 12 of the compressor comprising a wheel 18.
  • the high-pressure turbine 14 comprises a wheel 20 with vanes.
  • the wheels 16, 20 and the wheel 18 are interconnected by annular walls and form the rotor of the high pressure module of the test engine.
  • the wheel 18 and each wheel 16, 20 comprise a disc carrying at its periphery an annular row of substantially radial vanes.
  • Each disc comprises an axial bore 22 and has in section a shape called leek or dovetail, the inner periphery of the disc being thickened in the axial direction relative to the rest of the disc.
  • the bores wheel 18 and wheels 16, 20 each have an inner cylindrical surface.
  • the test motor comprises two tubular cylindrical rods 24, 26 which extend one inside the other and axially through the bores 22 of the wheels 16, 20 and the wheel 18.
  • the outer rod 24 is a ventilation pipe which internally delimits an annular space of ventilation air circulation intended to pass inside the bores 22 of the wheels 16, 20 and the wheel 18.
  • the downstream end of this rod 24 is fixed at the end downstream of the turbine wheel 20 and is therefore integral in rotation with the rotor. Its upstream end is engaged in a downstream cylindrical rim 28 of a rotor element and can slide axially on the radially inner cylindrical surface of this flange in operation of the engine.
  • the inner rod 26 is a measuring rod whose downstream end is fixed to the downstream end of the turbine wheel 20 and the upstream end is engaged in a downstream cylindrical rim 30 of a rotor element and can slide axially on the radially inner cylindrical surface of this flange during operation of the engine.
  • the present invention proposes to provide on the ventilation rod radial support means on the internal surface of at least one bores of the wheels 16, 20 and the wheel 18.
  • the radial support means are thus integral with the tubular element concerned, here the ventilation rod.
  • the radial support means of the rod 24 cooperate with the inner surface 32 of the bore 22 of the impeller 18, these bearing means extending at a distance from the axial ends of the impeller. the cane and substantially halfway therefrom.
  • the studs 34 are here three in number and are evenly distributed around the longitudinal axis A of the motor ( Figures 5 and 6). Each stud 34 is formed in one piece with the rod 24 and has an elongated substantially parallelepipedal shape, its elongation axis extending parallel to the axis A of the motor.
  • Each stud 34 has in cross section a trapezoidal shape as can be seen in FIG. 4, with a large radially internal base and a small radially external base.
  • the lateral faces 36 of the pads 34 are connected to the outer cylindrical surface of the rod 24 by concave curved surfaces 38 (whose axes of revolution extend parallel to the axis A of the motor) and the connecting edges 40 of these elements. faces 36 at the radially outer surface 42 of each stud are rounded convex.
  • This radially outer surface 42 is in cylinder portion and is substantially complementary to the inner surface 32 of the bore of the wheel 18, so that the stud 32 can bear radial surface support on this inner surface.
  • Each stud 32 comprises a face 44 facing upstream and which is connected to the aforementioned lateral faces 36 by convex rounded edges 46, this upstream face 44 also being connected to the radially outer surface 42 mentioned above by a rounded convex edge 48. This makes it possible to limit the zones of turbulence and the pressure drops in the air flow (arrow 50) which flows from upstream to downstream between the outer surface of the rod 24 and the inner surface 32 of the wheel 18, in the spaces circumferential 52 extending between the pads 34.
  • these circumferential spaces 52 also allow the passage of electrical son 54 of instrumentation.
  • the studs 34 are distributed at 120 ° from each other.
  • the wheel 18 carries an annular row of 36 electrical wires 54 which extend axially along the inner surface 32 of its bore.
  • the pads 34 are respectively at 4h, 8h and 12h (by analogy with the dial of a watch).
  • the layout of the instrumentation was made in such a way as to have prohibited zones of tracking at the level of the studs 34.
  • the threads 54 situated at the stud level were moved next to the nearest threads so as not to be in interaction with the studs.
  • the assembly of the ventilation can is done in blind, the knowledge of the high point (at 12 o'clock) of each piece (by usual identification of all the parts of the rotor line) makes it possible to make sure that no wire is located opposite the pads during the insertion of the rod in the bore of the wheel, so as not to degrade the instrumentation during assembly of the cane.
  • the width or circumferential dimension of the pads 34 has been defined so as to ensure a minimum ventilation section while ensuring a mechanical strength of the rod 24.
  • the definition of this width has also been optimized to take into account the passage of the wires 54, as explained in the above.
  • the pads 34 also have a length or axial dimension greater than that of the bore 22 of the impeller so that the upstream ends of the pads are located upstream of the impeller 18 and that their downstream ends are located downstream of the impeller.
  • the bore 32 of the wheel 18 has for example an internal diameter of about 80 mm and the son 54 each have a diameter less than about 1 mm.
  • the pads 34 have for example a width or circumferential dimension of the order of 5-6mm, a length or axial dimension of the order of 30mm, and a height or radial dimension of the order of 10mm.
  • this rod radial support means similar to those of the ventilation rod 24, these means of support being intended to cooperate with an internal cylindrical surface 58 of the rod 24, as shown in FIGS. 1, 2 and 6.
  • the measuring rod 26 comprises three studs 60 formed integrally with the rod and regularly distributed about its longitudinal axis A.
  • the studs 34, 60 of the two rods 24 , 26 and the wheel 18 are situated substantially in the same plane perpendicular to the axis A.
  • Each stud 34 of the rod 24 is further aligned with a stud 60 of the rod 26 along a radial axis 62 (FIG. ).
  • the rod 26 has a substantially triangular section in section whose sides are formed by concave rounded segments and whose vertices form the pads 60 above.
  • the rods 24, 26 can be mounted in the engine as follows.
  • the rod 24 is engaged in the bores of the wheels 16, 20 and the wheel 18 by axial translation from downstream.
  • the internal diameter of the bore 22 of the wheel 18 is generally slightly less than that of the turbine wheel 20.
  • the pads 32 which have an outer diameter substantially equal to the internal diameter of the bore of the impeller 16 therefore allow the mounting of the cane 24 by translation from downstream.
  • the rod 24 is moved upstream until its upstream end is engaged in the rim 28 above. Its downstream end is then fixed by bolting to the turbine wheel 20.
  • the rod 26 is then engaged inside the rod 24 by axial translation from downstream.
  • the inner surface 58 of the rod 24 is formed on a radially inner annular rib of the rod so that this surface has an inside diameter smaller than the inside diameter of the remainder of the rod 24.
  • the studs 60 of the rod 26 which have a diameter external substantially equal to the inner diameter of this surface 58 therefore allow the mounting of the rod 26 in the rod 24, by translation from downstream.
  • the rod 26 is moved upstream until its upstream end is engaged in the rim 30 above. Its downstream end is then fixed by bolting to the turbine wheel 20.
  • the radially outer surfaces of the studs 34, 60 of the rods 24, 26 are flush with the annular surfaces facing the wheel 18 and the rod 24, respectively, the adjustment between these surfaces being for example of the type h7g6 or h7f7 (clearance ⁇ 0.1 mm).
  • the studs can bear against the inner surface of the wheel bore to limit the deformations of the rods, in particular in bending. These supports can disappear according to the engine speed.
  • Any rod or tubular element of a turbomachine, test or series, which axially passes through the bore of a disk and which is integral in rotation with the disk, may be equipped with radial support means of the aforementioned type to move at least one of its dynamic modes outside the operating range of the turbomachine.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Rotor de turbomachine ou de moteur d'essai Rotor de turbomachine ou de moteur d'essai, comprenant au moins une roue (18) comportant un alésage axial (22) traversé par au moins un élément tubulaire (24) coaxial et solidaire en rotation de la roue, caractérisé en ce que cet élément comprend des moyens d'appui radial sur la surface interne de l'alésage de la roue.

Description

Rotor de turbomachine ou de moteur d'essai
La présente invention concerne un rotor de turbomachine ou de moteur d'essai.
Dans le cadre de la mise au point d'un nouveau moteur de turbomachine, il est connu de réaliser un moteur d'essai comportant au moins un module à tester du nouveau moteur qui est associé à des éléments destinés à reproduire le plus fidèlement possible l'architecture et les conditions de fonctionnement du moteur, notamment en termes de performances, opérabilité, tenue mécanique, durée de vie, thermique, ventilation, vibration, et dynamique d'ensemble.
Ce moteur d'essai comprend en outre des pièces d'adaptation qui sont conçues pour : la mise en place de l'instrumentation, assurer les fonctions principales de fonctionnement (ventilation, lubrification, dégazage, etc.), assurer la mise au banc d'essai (suspension au banc, adaptation et interface au banc, etc.), assurer des conditions de fonctionnement spécifiques (distorsion en entrée, aubes à calage variable, tuyère variable, endoscopie, etc.).
Un moteur d'essai comprend en général un rotor comportant au moins une roue, en particulier un rouet de compresseur centrifuge, dont l'alésage axial est traversé par au moins un élément tubulaire de forme allongée coaxial à la roue, et solidaire en rotation de la roue. Dans un cas particulier, un moteur d'essai peut comporter un module haute pression à tester, ce module comprenant d'amont en aval des étages de compression dont le dernier est centrifuge et une turbine, les roues des étages de compression et de la turbine comprenant des alésages axiaux qui sont traversés par deux cannes coaxiales s'étendant l'une à l'intérieur de l'autre. Une première canne cylindrique tubulaire dite canne de ventilation s'étend à l'intérieur des alésages des roues (en particulier du rouet) et une seconde canne cylindrique tubulaire dite canne de mesure s'étend à l'intérieur de la première canne. Les extrémités aval des cannes sont fixées à la roue concernée de turbine et leurs extrémités amont sont montées axialement coulissantes sur des surfaces cylindriques internes d'un élément de rotor.
La canne de ventilation a notamment pour fonction de définir avec les surfaces internes des alésages des roues (en particulier du rouet) un espace annulaire de passage axial d'un flux d'air de ventilation. Cet espace annulaire est en outre utilisé pour le passage de fils électriques d'alimentation d'instruments de mesure.
La canne de mesure est spécifique à un moteur d'essai et a notamment pour fonction d'assurer le cheminement des fils d'instrumentation de la quasi -totalité des mesures du rotor. Cette canne doit guider au mieux les fils afin d'éviter tout balourd potentiel dû à la masse des fils décentrés.
Des études de dimensionnement, basées sur des critères moteur, sont réalisées sur les pièces d'adaptation précitées ainsi que sur l'ensemble du moteur d'essai. Lors de ces études, il a été identifié un mode dynamique de flexion de la canne de ventilation qui est situé dans la plage de fonctionnement du moteur. L'impact d'un tel mode dynamique dans la plage de fonctionnement est destructeur pour la ligne rotor. En effet, l'apparition d'un tel mode peut engendrer les situations suivantes : la destruction de la canne de ventilation avec pour conséquences la perte de la ventilation et de l'ensemble des mesures du rotor, la dégradation critique de pièces structurantes de la ligne rotor, et la création d'un balourd important entraînant des surcontraintes dans les brides de liaison.
La présence d'au moins une de ces situations compromet fortement l'intégrité du moteur d'essai et du test du module. Il est donc impératif d'éloigner au maximum ce mode dynamique de la plage de fonctionnement.
La tendance actuelle pour augmenter les performances d'un module de compression d'un moteur est de minimiser la taille du rotor pour une même longueur d'arbre. Cette diminution de taille du rotor permet d'augmenter sa vitesse de rotation. Ces facteurs cumulés impliquent de fortes contraintes de dimensionnement dynamique. Ainsi, si cette tendance continue, ce problème dynamique sera probablement de plus en plus rencontré lors des futurs développements.
On a déjà proposé de modifier la géométrie de la canne de ventilation pour modifier sa rigidité en flexion mais ces modifications de géométrie se sont avérées insuffisantes car elles n'ont pas permis de supprimer le mode précité de la plage de fonctionnement.
Ce problème technique peut également se rencontrer dans le cadre d'une turbomachine ou d'un moteur de série. En effet, une turbomachine peut comprendre des roues dont les alésages axiaux sont traversés par un arbre, une canne, un fourreau, et/ou un tube par exemple de dégazage. La tendance précitée de diminution des tailles des moteurs et d'augmentation des vitesses de rotation des rotors peut engendrer des problèmes de coïncidence de modes dynamiques de ces éléments avec la plage de fonctionnement du moteur.
Un problème corollaire concerne, sur le rouet du compresseur centrifuge précité, l'ajustement les jeux en sommet d'aubes, en particulier pour la (ventilation, en relation avec la recherche de performances toujours accrues du moteur, dans le respect toutefois de son intégrité dynamique.
L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à une partie au moins de ces problèmes.
A cet effet, elle propose un rotor de turbomachine ou de moteur d'essai, comprenant au moins une roue, en particulier un rouet de compresseur centrifuge, monté tournant autour d'un axe et comportant un alésage axial traversé par au moins un élément tubulaire coaxial et solidaire en rotation de la roue, caractérisé en ce que
-ledit premier élément tubulaire comprend des moyens discrets d'appui radial sur une surface interne de portée de l'alésage de la roue (en particulier du rouet) et,
- les moyens discrets d'appui radial sont situés, autour dudit axe, de façon non symétrique par rapport à cet axe. Ainsi, l'appui mis en place sous l'alésage en particulier du rouet centrifuge étant non axisymétrique, on va permettre :
- le passage de la ventilation et de l'instrumentation,
- un ajustement des jeux en sommet d'aubes (pour la ventilation) et donc de bonnes performances du moteur, tout en respectant une intégrité dynamique du moteur (par l'appui).
Les inventeurs ont en outre constaté que cette solution est particulièrement efficace car elle permet d'éloigner suffisamment le premier mode dynamique de flexion de l'élément (dit premier élément tubulaire), tel qu'une canne, de la plage de fonctionnement du moteur, sans remettre en cause l'architecture de l'ensemble et en tenant compte des éventuelles contraintes technologiques d'un moteur d'essai. Les moyens d'appui sont destinés à prendre appui radialement sur la surface interne de l'alésage de la roue pour limiter les déformations, en particulier en flexion, de l'élément en fonctionnement.
L'invention est particulièrement avantageuse car seul l'élément peut être modifié, la roue concernée n'étant pas impactée et pouvant être identique à celles utilisées dans la technique antérieure. L'invention ne modifie pas les architectures existantes et peut donc être introduite facilement sur les moteurs existants afin de résoudre des problèmes de dynamique d'ensemble.
L'élément est par exemple une canne de ventilation d'un moteur d'essai comportant un module haute-pression à tester. En variante, l'élément est un fourreau, un arbre ou un tube.
Les moyens d'appui sont de préférence situés à distance des extrémités axiales de l'élément. Ils sont par exemple situés à mi-distance des extrémités axiales de l'élément.
Avantageusement, des espaces seront délimités par ledit premier élément tubulaire et l'alésage axial du rouet, circonférentiellement entre les moyens discrets d'appui radial, et des fils électriques d'instrumentation passeront alors dans ces espaces. Avantageusement, les moyens d'appui comprennent des plots en saillie sur une surface cylindrique externe de l'élément avec lequel ils forment de préférence une seule pièce.
Les plots sont configurés pour prendre appui radialement sur la surface interne de l'alésage de la roue. Ils maintiennent l'élément à distance radiale de la surface interne de l'alésage de la roue et peuvent définir entre eux des espaces circonférentiels de passage d'un flux d'air de ventilation et de fils électriques d'instrumentation du rotor.
Les plots sont de préférence régulièrement répartis autour de l'axe longitudinal de l'élément pour éviter la formation d'un balourd. Ils sont par exemple au nombre de trois.
Les plots ont de préférence un profil aérodynamique pour limiter les pertes de charge du flux d'air précité. Ils présentent par exemple des arêtes arrondies.
La géométrie des plots est de préférence optimisée de manière à diminuer au maximum les contraintes dans les plots. En effet, la vitesse de rotation pouvant être très importante (par exemple de l'ordre de 26 000 tr/min), les contraintes dans l'élément sont principalement tangentielles. Des formes optimisées vis-à-vis des contraintes peuvent donc être mises en place afin de valider la tenue mécanique de la pièce.
Chaque plot a une surface radialement externe qui est incurvée convexe et est sensiblement complémentaire de la surface interne de l'alésage de la roue. Ainsi, le contact entre les plots et la surface interne de l'alésage de la roue est réalisé sur une surface et non sur une arête, ce qui limite les risques d'endommagement de la roue et d'amorce de fissures. En effet, l'alésage de la roue étant une zone critique d'un point de vue de la tenue mécanique, il est impératif de ne pas dégrader l'état de surface de sa surface interne.
La surface radialement externe de chaque plot peut être revêtue d'une couche mince (par exemple d'épaisseur inférieure à 1 mm) d'un matériau moins dur que celui de la roue, ce matériau étant par exemple un alliage à base de nickel, chrome et aluminium.
Les plots peuvent avoir une dimension axiale supérieure à celle de l'alésage axial de la roue. Ceci évite aux extrémités axiales des plots de venir en appui sur la surface interne de l'alésage de la roue (ce qui pourrait dégrader cette surface interne), même dans le cas où l'élément se déplacerait axialement en fonctionnement du fait des dilatations différentielles.
L'utilisation de plots d'appui comportant des surfaces d'appui rayonnantes et ayant une longueur supérieure à celle de l'alésage de la roue permet d'assurer une surface maximale d'appui des plots, optimisant ainsi l'efficacité de l'appui vis-à-vis du mode dynamique.
Le rotor selon l'invention peut comprendre un autre élément tubulaire coaxial s'étendant à l'intérieur de l'élément précité et comportant des moyens d'appui radial sur une surface interne de l'élément précité, les moyens d'appui des éléments s'étendant dans un même plan perpendiculaire à l'axe longitudinal du rotor et passant sensiblement par la roue précitée.
Ainsi, on évitera que ce deuxième élément tubulaire ait un mode dynamique qui coïncide avec la plage de fonctionnement du moteur.
Cet autre élément est par exemple une canne de mesure. Les moyens d'appui de cet autre élément peuvent être similaires à ceux du premier élément. Ils peuvent par exemple comprendre au moins trois plots régulièrement répartis autour de l'axe longitudinal du rotor, chaque plot de l'élément interne étant aligné en direction radiale avec un plot de l'élément externe.
La présente invention concerne également une turbomachine ou moteur d'essai, comprenant un rotor tel que décrit ci-dessus.
L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un moteur d'essai de turbomachine ;
- la figure 2 est une vue à plus grande échelle d'une partie de la figure 1 ;
- la figure 3 est une vue schématique en perspective d'un moyen d'appui radial de la canne de ventilation du moteur d'essai de la figure 1 ;
- la figure 4 est une vue très schématique en coupe transversale du plot de la figure 3 ;
- la figure 5 est une vue schématique de face de la canne de ventilation montée dans l'alésage axial du rouet du moteur d'essai de la figure 1 ; et
- la figure 6 est une autre vue schématique de face des cannes de mesure et de ventilation du moteur d'essai de la figure 1 .
On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente un moteur d'essai de turbomachine, comportant notamment un module haute pression qui comprend d'amont en aval, dans le sens d'écoulement des gaz dans le moteur, un compresseur 10 dont le dernier étage 12 est centrifuge et qui alimente une chambre annulaire de combustion (non représentée), et une turbine 14. Le reste du moteur n'est pas représenté pour plus de clarté.
Le compresseur 10 comprend trois étages axiaux comportant chacun une roue 16 à aubes suivie d'un redresseur (non représenté), le dernier étage centrifuge 12 du compresseur comprenant un rouet 18. La turbine haute-pression 14 comprend une roue 20 à aubes.
Les roues 16, 20 et le rouet 18 sont reliés entre eux par des parois annulaires et forment le rotor du module haute pression du moteur d'essai.
Le rouet 1 8 et chaque roue 16, 20 comprennent un disque portant à sa périphérie une rangée annulaire d'aubes sensiblement radiales. Chaque disque comprend un alésage axial 22 et a en section une forme dite en poireau ou en queue d'aronde, la périphérie interne du disque étant surépaissie en direction axiale par rapport au reste du disque. Les alésages du rouet 1 8 et des roues 16, 20 présentent chacun une surface cylindrique interne.
Le moteur d'essai comprend deux cannes cylindriques 24, 26 tubulaires qui s'étendent l'une à l'intérieur de l'autre et traversent axialement les alésages 22 des roues 16, 20 et du rouet 18. La canne externe 24 est une canne de ventilation qui délimite intérieurement un espace annulaire de circulation d'air de ventilation destiné à passer à l'intérieur des alésages 22 des roues 16, 20 et du rouet 18. L'extrémité aval de cette canne 24 est fixée à l'extrémité aval de la roue de turbine 20 et est donc solidaire en rotation du rotor. Son extrémité amont est engagée dans un rebord cylindrique aval 28 d'un élément du rotor et peut coulisser axialement sur la surface cylindrique radialement interne de ce rebord en fonctionnement du moteur.
La canne interne 26 est une canne de mesure dont l'extrémité aval est fixée à l'extrémité aval de la roue de turbine 20 et l'extrémité amont est engagée dans un rebord cylindrique aval 30 d'un élément du rotor et peut coulisser axialement sur la surface cylindrique radialement interne de ce rebord en fonctionnement du moteur.
Pour éviter que des modes dynamiques de flexion de la canne de ventilation 24 soient situés dans la plage de fonctionnement du moteur, la présente invention propose de prévoir sur la canne de ventilation des moyens d'appui radial sur la surface interne d'au moins un des alésages des roues 16, 20 et du rouet 18. Les moyens d'appui radial sont ainsi monoblocs avec l'élément tubulaire concerné, ici la canne de ventilation.
Dans l'exemple représenté aux figures 1 et 2, les moyens d'appui radial de la canne 24 coopèrent avec la surface interne 32 de l'alésage 22 du rouet 18, ces moyens d'appui s'étendant à distance des extrémités axiales de la canne et sensiblement à mi-distance de celles-ci. Les moyens d'appui radial considérés viennent ainsi porter directement (matière contre matière) contre la surface interne 32 de l'alésage 22, Aucun joint ou autre pièce intermédiaire n'est interposé. Ces moyens d'appui comprennent ici des plots 34 en saillie sur la surface cylindrique externe de la canne 24 et dont les extrémités radialement externes sont destinées à venir en appui sur la surface cylindrique interne 32 du rouet 18.
Les plots 34 sont ici au nombre de trois et sont régulièrement répartis autour de l'axe longitudinal A du moteur (figures 5 et 6). Chaque plot 34 est formé d'une seule pièce avec la canne 24 et a une forme sensiblement parallélépipédique allongée, son axe d'allongement s'étendant parallèlement à l'axe A du moteur.
Chaque plot 34 a en section transversale une forme trapézoïdale comme cela est visible en figure 4, avec une grande base radialement interne et une petite base radialement externe. Les faces latérales 36 des plots 34 sont reliées à la surface cylindrique externe de la canne 24 par des surfaces 38 incurvées concave (dont les axes de révolution s'étendent parallèlement à l'axe A du moteur) et les arêtes 40 de liaison de ces faces 36 à la surface radialement externe 42 de chaque plot sont arrondies convexes.
Cette surface radialement externe 42 est en portion de cylindre et est sensiblement complémentaire de la surface interne 32 de l'alésage du rouet 18, de façon à ce que le plot 32 puisse venir en appui radial surfacique sur cette surface interne. Chaque plot 32 comprend une face 44 orientée vers l'amont et qui est reliée aux faces latérales 36 précitées par des arêtes 46 arrondies convexes, cette face amont 44 étant également reliée à la surface radialement externe 42 précitée par une arête 48 arrondie convexe. Ceci permet de limiter les zones de turbulence et les pertes de charge dans le flux d'air (flèche 50) qui circule d'amont en aval entre la surface externe de la canne 24 et la surface interne 32 du rouet 18, dans les espaces circonférentiels 52 s'étendant entre les plots 34.
Comme cela est visible aux figures 5 et 6, ces espaces circonférentiels 52 permettent également le passage de fils électriques 54 d'instrumentation. Dans l'exemple représenté, les plots 34 sont répartis à 120° les uns des autres. Le rouet 18 porte une rangée annulaire de 36 fils électriques 54 qui s'étendent axialement le long de la surface interne 32 de son alésage. Les plots 34 sont situés respectivement à 4h, 8h et 12h (par analogie avec le cadran d'une montre).
L'aménagement de l'instrumentation a été réalisé de manière à avoir des zones interdites de cheminement au niveau des plots 34. Les fils 54 se situant au niveau des plots ont été déplacés à coté des fils les plus proches de façon à ne pas être en interaction avec les plots. Le montage de la canne de ventilation étant fait en aveugle, la connaissance du point haut (à 12h) de chaque pièce (par repérage habituel de l'ensemble des pièces de la ligne rotor) permet de s'assurer qu'aucun fil ne se trouve en vis-à-vis des plots lors de l'insertion de la canne dans l'alésage du rouet, de façon à ne pas dégrader l'instrumentation lors du montage de la canne.
La largeur ou dimension circonférentielle des plots 34 a été définie de manière à assurer une section minimale de ventilation tout en assurant une tenue mécanique de la canne 24. La définition de cette largeur a également été optimisée pour tenir compte du passage des fils 54, comme expliqué dans ce qui précède.
Les plots 34 ont par ailleurs une longueur ou dimension axiale supérieure à celle de l'alésage 22 du rouet de sorte que les extrémités amont des plots soient situées en amont du rouet 18 et que leurs extrémités aval soient situées en aval du rouet.
L'alésage 32 du rouet 18 a par exemple un diamètre interne de 80mm environ et les fils 54 ont chacun un diamètre inférieur à 1 mm environ. Les plots 34 ont par exemple une largeur ou dimension circonférentielle de l'ordre de 5-6mm, une longueur ou dimension axiale de l'ordre de 30mm, et une hauteur ou dimension radiale de l'ordre de 10mm. Pour éviter que la canne de mesure 26 ait également un mode dynamique qui coïncide avec la plage de fonctionnement du moteur, il est possible de prévoir sur cette canne des moyens d'appui radial similaires à ceux de la canne de ventilation 24, ces moyens d'appui étant destinés à coopérer avec une surface cylindrique interne 58 de la canne 24, comme représenté aux figures 1 , 2 et 6. Les moyens d'appui radial considérés viennent ainsi porter directement (matière contre matière) contre la surface interne 58 de l'élément tubulaire externe concerné, ici la canne 24, Aucun joint ou autre pièce intermédiaire n'est interposé.
Dans l'exemple représenté aux figures 1 , 2 et 6, la canne de mesure 26 comprend trois plots 60 formés d'une seule pièce avec la canne et régulièrement répartis autour de son axe longitudinal A. Les plots 34, 60 des deux cannes 24, 26 et le rouet 18 sont situés sensiblement dans un même plan perpendiculaire à l'axe A. Chaque plot 34 de la canne 24 est en outre aligné avec un plot 60 de la canne 26 le long d'un axe radial 62 (figure 6). Dans l'exemple représenté en figure 6, la canne 26 a en section une forme sensiblement triangulaire dont les côtés sont formés par des segments arrondis concaves et dont les sommets forment les plots 60 précités.
Les cannes 24, 26 peuvent être montées dans le moteur de la façon suivante. La canne 24 est engagée dans les alésages des roues 16, 20 et du rouet 18 par translation axiale depuis l'aval. Le diamètre interne de l'alésage 22 du rouet 18 est en général légèrement inférieur à celui de la roue de turbine 20. Les plots 32 qui ont un diamètre externe sensiblement égal au diamètre interne de l'alésage du rouet 16 autorisent donc le montage de la canne 24 par translation depuis l'aval. La canne 24 est déplacée vers l'amont jusqu'à ce que son extrémité amont soit engagée dans le rebord 28 précité. Son extrémité aval est alors fixée par boulonnage à la roue de turbine 20. La canne 26 est ensuite engagée à l'intérieur de la canne 24 par translation axiale depuis l'aval. La surface interne 58 de la canne 24 est formée sur une nervure annulaire radialement interne de la canne si bien que cette surface a un diamètre interne inférieur au diamètre interne du reste de la canne 24. Les plots 60 de la canne 26 qui ont un diamètre externe sensiblement égal au diamètre interne de cette surface 58 autorisent donc le montage de la canne 26 dans la canne 24, par translation depuis l'aval. La canne 26 est déplacée vers l'amont jusqu'à ce que son extrémité amont soit engagée dans le rebord 30 précité. Son extrémité aval est alors fixée par boulonnage à la roue de turbine 20.
En position montée et au repos, à l'état sans contrainte, les surfaces radialement externes des plots 34, 60 des cannes 24, 26 affleurent les surfaces annulaires en regard du rouet 18 et de la canne 24, respectivement, l'ajustement entre ces surfaces étant par exemple du type h7g6 ou h7f7 (jeu <0,1 mm). En fonctionnement, les plots peuvent venir en appui sur la surface interne de l'alésage du rouet pour limiter les déformations des cannes, en particulier en flexion. Ces appuis peuvent disparaître selon le régime du moteur.
Toute canne ou tout élément tubulaire d'une turbomachine, d'essai ou de série, qui traverse axialement l'alésage d'un disque et qui est solidaire en rotation de ce disque, peut être équipé de moyens d'appui radial du type précité pour déplacer au moins un de ses modes dynamiques en dehors de la plage de fonctionnement de la turbomachine.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Rotor de turbomachine ou de moteur d'essai, comprenant au moins un rouet (18) d'un compresseur centrifuge (12)monté tournant autour d'un axe (A) et comportant un alésage axial (22) traversé par au moins un premier élément tubulaire (24) coaxial et solidaire en rotation du rouet, caractérisé en ce que :
-ledit premier élément tubulaire (24) comprend des moyens (34) discrets d'appui radial sur une surface interne (32) de portée de l'alésage du rouet, et,
- les moyens (34) discrets d'appui radial sont situés, autour dudit axe (A), de façon non symétrique par rapport à cet axe.
2. Rotor selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les moyens d'appui (34) sont situés à distance des extrémités axiales de l'élément (24).
3. Rotor selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens d'appui comprennent des plots (34) en saillie sur une surface cylindrique externe de l'élément (24) avec lequel ils forment une seule pièce.
4. Rotor selon la revendication 3, caractérisé en ce que les plots (34) sont régulièrement répartis autour dudit axe (A) du premier élément tubulaire (24) et sont par exemple au nombre de trois.
5. Rotor selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que des espaces (52) sont délimités par ledit premier élément tubulaire (24) et l'alésage axial (22) du rouet (18), circonférentiellement entre les moyens (34) discrets d'appui radial, des fils électriques (54) d'instrumentation passant dans ces espaces (52).
6. Rotor selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les plots (32) ont un profil aérodynamique pour limiter les pertes de charge d'un flux d'air destiné à passer dans l'espace annulaire (52) délimité par ledit premier élément tubulaire (24) et l'alésage axial (22) du rouet (18) en fonctionnement.
7. Rotor selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que chaque plot (34) a une surface radialement externe (42) qui est incurvée convexe et est sensiblement complémentaire de la surface interne (32) de l'alésage (22) du rouet (18).
8. Rotor selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que les plots (34) ont une dimension axiale supérieure à celle de l'alésage axial (22) du rouet (18).
9. Rotor selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un deuxième élément tubulaire (26) coaxial s'étendant à l'intérieur du premier élément tubulaire (24) et comportant des moyens (60) d'appui radial sur une surface interne (58) de portée dudit premier élément tubulaire (24), les moyens d'appui (34, 60) respectifs des premier et deuxième éléments tubulaires (24, 26) s'étendant dans un même plan perpendiculaire audit axe (A) du rotor et passant sensiblement par le rouet (18).
10. Rotor selon la revendication 9, caractérisé en ce que les premier et deuxième éléments tubulaires (24,26) sont respectivement une canne de ventilation et une canne de mesure dont les extrémités aval sont respectivement fixées à l'extrémité aval d'une roue de turbine (20) et dont les extrémités amont sont respectivement engagées avec des rebords aval (28,30) du rotor et peuvent coulisser axialement sur les surfaces cylindriques radialement internes respectives de ces rebords, en fonctionnement du moteur.
1 1 . Turbomachine ou moteur d'essai, comprenant un rotor selon l'une des revendications précédentes.
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