WO2017129892A1 - Pièce de révolution pour banc d'essai de turbine ou pour turbomachine, banc d'essais de turbines comprenant ladite pièce, et procédé les utilisant - Google Patents

Pièce de révolution pour banc d'essai de turbine ou pour turbomachine, banc d'essais de turbines comprenant ladite pièce, et procédé les utilisant Download PDF

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WO2017129892A1
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revolution
turbine
annular
piece
hub
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PCT/FR2017/050149
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Aurélien Gaëtan DELMOTTE
Joël Maurice CRETI
Laurent Jacques Roger Jean DOUBLET
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Safran Aircraft Engines
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Publication date
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    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/83—Testing, e.g. methods, components or tools therefor

Definitions

  • the present invention relates to a revolution piece for turbine test stand or turbomachine intended to be rotated, in particular at angular speeds that can induce significant deformation of the workpiece, and comprising a hub intended to be adjusted. clamped on a rotating shaft, and a body extending radially outwardly from the hub.
  • the invention also relates to a test bench for a turbine, comprising such a piece of revolution forming a balancing piston, that is to say a part intended to be subjected to the pressure of a pressurized fluid to apply a axial load to a turbine to be tested.
  • This problem concerns, for example, balancing pistons used in turbine test benches, or in other types of rotating machines, for example in turbomachines.
  • FIG. 1 illustrates such a balancing piston within a turbine test bench 8.
  • This balancing piston takes the form of a piece of revolution 10 comprising a hub 12, a body 14 extending radially outwardly from the hub 12, for example from an axial end 15 of the hub, and a head 16 formed at the radially outer end of the body 14 and having lips 18, sometimes referred to as "wipers".
  • the hub has a radially inner face 19 having an annular groove 20 and two cylindrical bearing surfaces 22a, 22b separated from each other by the annular groove 20 and fitted tightly onto a rotor shaft 24 of the bench, typically by shrinking.
  • This rotor shaft 24 is intended to be connected to a rotor shaft of a turbine.
  • the cylindrical bearing surfaces comprise a first cylindrical bearing surface 22a located on the same axial side as the body 14 with respect to the annular groove 20, and a second cylindrical bearing surface 22b located on the opposite axial side.
  • the sealing lips 18 of the head 16 cooperate with a cylindrical track 26 carried by a stator element 28 of the bench, so as to form a labyrinth seal.
  • a seal is operatively for confining a pressurized gas to one side of the equilibration piston so that it can convert the gas pressure into an axial load against the turbine.
  • Other types of rotary seals may alternatively be used, such as brush seals or abradable coating seals.
  • Figure 2 illustrates the rotating part 10 in operation. Because of its rotation at high speed, the part is deformed by centrifugal effect. More specifically, the body 14 of the part deviates radially outwards and carries with it the first cylindrical bearing surface 22a, and gradually, the entire hub and therefore in particular the second cylindrical bearing surface 22b, thereby inducing a clearance between each of the two cylindrical bearing surfaces 22a, 22b and the rotor shaft 24. The deformation of the part of revolution 10 further induces an inclination of the head 16, such as to compromise the tightness of the rotary joint.
  • Figure 3 is a graph having for abscissa the speed of rotation of the rotor shaft 24 in revolutions per minute , and ordinate the clearance vis-à-vis the rotor shaft 24 in millimeters.
  • This graph includes: a first curve C1 concerning a first axial end 30a (FIG. 2a) of the contact zone 32 between the first cylindrical bearing surface 22a and the rotor shaft 24, the first axial end 30a being situated on the opposite side to the second cylindrical bearing surface 22b ,
  • a second curve C2 concerning a second axial end 30b (FIG. 2a) of the contact zone 32 between the first cylindrical bearing surface 22a and the rotor shaft 24, the second axial end 30b being located on the side of the second cylindrical bearing surface 22b a third curve C3 relating to a first axial end 34a (FIG. 2a) of the contact zone 36 between the second cylindrical bearing surface 22b and the rotor shaft 24, the first axial end 34a being situated on the side of the first cylindrical bearing surface 22a a fourth curve C4 relating to a second axial end 34b (FIG. 2a) of the contact zone 36 between the second cylindrical bearing surface 22b and the rotor shaft 24, the second axial end 34b being located on the opposite side to the first cylindrical bearing surface 22a.
  • the horizontal line L1 having ordinate 0.016 mm symbolizes the maximum clearance beyond which the clamping (or hooping) is considered lost for the zone concerned.
  • the point PI corresponds to the loss of the clamping of the first cylindrical bearing 22a when the rotation speed reaches 9200 revolutions per minute.
  • the point P2 corresponds to the beginning of a partial clamping loss of the second cylindrical bearing surface 22b, when the rotational speed reaches 11100 rpm, while the point P3 corresponds to the total loss of the clamping of the second cylindrical bearing surface 22b, when the speed of rotation reaches a critical speed of 11600 revolutions per minute.
  • the invention aims in particular to provide a simple, economical and effective solution to this problem.
  • the hub comprises five annular regions axially succeeding each other from the axial end of the hub, namely, in order, a first annular region extending in the extension of the body, a second annular region, a third annular region, a fourth annular region, and a fifth annular region, the second annular region and the fourth annular region having a thickness less than a thickness of the third and fifth annular regions, so that when the revolution piece is subjected to a centrifugal force, the second and fourth annular regions form areas of preferred deformation behaving as a double pivot.
  • the conformation of the hub thus makes it possible to promote a decoupling of the respective deformations of the fifth annular region and of the body of the part, induced by the centrifugal force, which makes it possible in particular to keep the clamping of the fifth annular region at considerably higher speeds. at the critical speeds of the revolution parts of the prior art.
  • the piece of revolution further comprises a head formed at a radially outer end of the body of the revolution piece and having first sealing means forming a portion of a rotary seal.
  • the part of revolution can thus constitute a balancing piston or any other type of part forming part of a rotary seal.
  • the hub has a radially inner face having an annular groove, and two cylindrical surfaces separated from each other by the annular groove and extending respectively opposite the first and fifth annular regions.
  • annular groove preferably extends opposite the second, third and fourth annular regions.
  • the hub advantageously has a radially outer face comprising two annular grooves which respectively delimit the second and fourth annular regions.
  • the invention also relates to a test bench for a turbine, comprising a rotor shaft intended to support the rotor of a turbine to be tested, as well as a piece of revolution of the type described above, fitted tight onto said shaft of rotor and intended to be subjected to the pressure of a pressurized fluid to apply an axial load to the turbine to be tested.
  • the part of revolution thus constitutes a balancing piston.
  • the piece of revolution further comprises a head formed at a radially outer end of the body of the piece of revolution and having first sealing means
  • the bench further comprises an annular element with respect to which the piece of revolution is displaceable in rotation, said annular element having second sealing means cooperating with said first sealing means to form a rotary seal.
  • the invention finally relates to a method for testing a turbine, such as an aircraft turbine engine turbine, comprising at least steps of mounting the turbine in a test bench of the type described above, in particular connect a rotor of the turbine to the rotor shaft of the test bench, then put in rotation the rotor of the turbine, and thus causing a rotation of the piece of revolution, while applying a pressurized gas on one side of the body of the part of revolution opposite to the turbine so that the piece of revolution applies a Axial load to the turbine.
  • a turbine such as an aircraft turbine engine turbine
  • the body of the part of revolution deviates radially outwards under the effect of a centrifugal force induced by the rotation of the part of revolution, while the second and fourth annular regions of the hub of the piece of revolution are deformed like a double pivot.
  • FIG. 1 is a partial schematic half-view in axial section and in perspective of a turbine test bench comprising a balancing piston consisting of a piece of revolution of a known type comprising a hub fitted tight on a rotor shaft;
  • FIG. 2 already described, is a schematic half-view in axial section of the part of revolution of the bench of FIG. 1, deformed by centrifugal effect;
  • FIG. 2a is a view on a larger scale of a part of FIG. 2, illustrating the hub of the part of revolution;
  • FIG. 3 already described, is a graph illustrating the evolution of the clearance between the hub of the part of revolution and the rotor shaft of the bench of FIG. 1, as a function of the speed of rotation of the shaft of rotor;
  • FIG. 4 is a partial schematic half-view in axial section and in perspective of a test bench comprising a balancing piston consisting of a part of revolution according to a preferred embodiment of the invention, comprising a hub fitted tight on a rotor shaft;
  • FIG. 5 is a view on a larger scale of a part of FIG. 4, illustrating the part of revolution and the rotor shaft of the test bench of FIG. 4;
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating the mechanical behavior of the part of revolution of FIG. 5;
  • FIG. 7 is a schematic half-view in axial section of the part of revolution of Figure 5, deformed by centrifugal effect;
  • FIG. 7a is a view on a larger scale of a part of FIG. 7, illustrating the hub of the part of revolution of FIG. 5;
  • FIG. 7b is a view on a larger scale of another part of FIG. 7, illustrating a head of the part of revolution of FIG. 5;
  • FIG. 8 is a graph illustrating the evolution of the clearance between the hub of the part of revolution and the rotor shaft of the bench of FIG. 4, as a function of the speed of rotation of the rotor shaft;
  • FIG. 9 is a graph illustrating the deformation of the head of the revolution piece of the bench of FIG. 4, as a function of the speed of rotation of the rotor shaft.
  • FIG. 4 illustrates a part of a test bench 40 according to a preferred embodiment of the invention, this part sometimes being called "test machine” and essentially comprising a turbine 42 to be tested, an inlet volute 44, an air outlet volute 46, a shaft line 47 and an associated support device 48 including in particular a set of bearings for supporting the rotor and the stator of the turbine 42, as well as means for The shaft line in particular comprises a rotor shaft 24 (FIG. 5).
  • the arrows 52 illustrate the path of air within the test machine in operation.
  • the support device 48 comprises in particular a balancing piston formed of a part of revolution 60 (FIG. 5) according to a preferred embodiment of the invention.
  • the part of revolution 60 is generally similar to the known type of revolution piece 10 of FIGS. 1 and 2, but it differs from it mainly because the hub 62 comprises five annular regions succeeding one another axially from of the axial end 15 of the hub 62, namely, in order (from left to right in FIG.
  • a first annular region 68 extending in the extension of the body 14, a second annular region 64a , a third annular region 66, a fourth annular region 64b, and a fifth annular region 70, such that the second annular region 64a and the fourth annular region 64b have respective thicknesses W2 less than a thickness W3 of the third annular region 66 and a thickness W5 of the fifth annular region 70.
  • the hub 62 is tightly fitted to the rotor shaft 24, preferably by hooping.
  • the hub has, in a manner known per se, a radially inner face 19 having an annular groove 20 and two cylindrical bearing surfaces 22a, 22b separated from each other by the annular groove 20 and clamped tightly on the rotor shaft 24.
  • a first 22a of the cylindrical bearing surfaces extends axially at the first annular region 68, while the second cylindrical bearing surface 22b extends axially at the level of the fifth annular region 70.
  • the annular groove 20 extends opposite the third annular region and facing the second and fourth annular regions 64a, 64b.
  • the thickness W3 of the third annular region 66 is thus greater than the thickness W2 of the second and fourth annular regions 64a, 64b while being smaller than the thickness W5 of the fifth annular region 70.
  • the fifth annular region 70 forms a free end of the hub 62 located on the opposite side to the body 14.
  • the hub 62 has a radially outer face 72 having two annular grooves 74a, 74b which respectively delimit the second and fourth annular regions 64a, 64b.
  • the annular grooves 74a, 74b preferably have a sectional section, but may alternatively have other types of section, for example a V-section.
  • the second and fourth annular regions 64a, 64b form zones of preferential deformation when the part of revolution 60 is subjected to a centrifugal force.
  • the behavior of the second and fourth annular regions 64a, 64b can be likened to that of a double pivot, when considering a half-view in axial section of the part of revolution 60.
  • the conformation of the hub 62 thus makes it possible to promote the independence of the mechanical behavior of the second cylindrical bearing surface 22b with respect to the first cylindrical bearing surface 22a, with respect to the deformations of the part of revolution 60 when the latter is subjected to a centrifugal force. .
  • the deformations of the fifth annular region 70 are thus at least partially decorrelated from the deformations of the body 14 and the first annular region 68.
  • the conformation of the hub 62 thus makes it possible to maintain an acceptable level of clamping at speeds of rotation greater than the speeds permitted by the revolution parts of the prior art.
  • FIG. 7 illustrates the part of revolution 60 rotating at a speed of 20000 revolutions per minute, and shows that the second cylindrical bearing surface 22b (and thus the fifth annular region 70) is still clamped on the rotor shaft 24 at this speed (see also Figure 7a), despite the deformations of the body 14 induced by the centrifugal force F.
  • FIG. 8 is a graph having the rotational speed of the rotor shaft 24 in revolutions per minute as the abscissa, and the clearance with respect to the rotor shaft 24 in millimeters. This graph includes:
  • a sixth curve C6 relating to a second axial end 34b (FIG. 7a) of the contact zone 36 between the second cylindrical bearing surface 22b and the rotor shaft 24, the second axial end 34b being situated on the opposite side to the first cylindrical bearing surface 22a .
  • the horizontal line L2 having ordinate 0.016 mm symbolizes the maximum clearance beyond which the clamping (or hooping) is considered lost for the area concerned.
  • the point P4 corresponds to the loss of the clamping of the second axial end 34b, and therefore of the part of revolution 60.
  • the head 16 of the part of revolution 60 retains substantially the same orientation in rotation at 20000 revolutions per minute as when the piece of revolution 60 is at a standstill (see also FIG. 7b).
  • the deformation of the part of revolution 60 in fact induces a displacement of the head 16 which, seen in axial section, is substantially similar to a translation.
  • FIG. 9 is a graph having for abscissa the speed of rotation of the rotor shaft 24 in revolutions per minute, and in ordinate the displacement of the sealing lips 18 of the head 16.
  • This graph comprises: a seventh curve C7 relating to a first extreme sealing lip 18a (FIG. 7b) situated on the opposite axial side to the hub 62,
  • This graph shows that the respective displacements of these two extreme sealing lips 18a, 18b remain very close throughout the field of operation of the test bench, in particular around 20000 revolutions per minute.
  • the invention also relates to a method for testing a turbine 42, such as an aircraft turbine engine turbine, comprising at least steps of mounting the turbine 42 in a test bench 40 of the type described above. , in particular connecting a rotor of the turbine to the rotor shaft 24 of the test bench, then rotating the rotor of the turbine, and thereby causing a rotation of the balancing piston formed by the piece of revolution 60, while applying a pressurized gas 80 ( Figure 5) on a side 82 of the body 14 of the balancing piston opposite to the turbine 42 so that the balancing piston applies an axial load to the turbine.
  • a pressurized gas 80 Figure 5
  • the body 14 of the balancing piston 60 deviates radially outwards under the effect of the centrifugal force F (FIG. 7) induced by the rotation of the balancing piston, while the second and fourth annular regions 64a, 64b of the hub 62 are deformed as a double pivot, to limit the deformation of the fifth annular region 70 with respect to the deformation of the body 14, as explained above.

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Abstract

Il est proposé une pièce de révolution(60), destinée à être mise en rotation, comprenant un moyeu (62) destiné à être ajusté serré sur un arbre rotatif (24), et un corps (14) s'étendant radialement vers l'extérieur à partir d'une extrémité axiale du moyeu. Afin d'accroître la vitesse critique jusqu'à laquelle le serrage peut être conservé, le moyeu (62) comporte trois régions annulaires relativement épaisses (68, 66, 70) séparées les unes des autres par deux régions annulaires relativement minces (64a, 64b), de sorte que lorsque la pièce de révolution est soumise à une force centrifuge (F), les deux régions annulaires relativement minces (64a, 64b) forment des zones de déformation privilégiée se comportant comme un double pivot. Une telle pièce peut être utilisée avantageusement en tant que piston d'équilibrage dans un banc d'essais de turbines ou dans une turbomachine.

Description

PIÈCE DE RÉVOLUTION POUR BANC D'ESSAI DE TURBINE OU POUR TURBOMACHINE, BANC D'ESSAIS DE TURBINES COMPRENANT LADITE PIÈCE, ET PROCÉDÉ LES UTILISANT
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne une pièce de révolution pour banc d'essai de turbine ou pour turbomachine destinée à être mise en rotation, en particulier à des vitesses angulaires susceptibles d'induire une déformation significative de la pièce, et comprenant un moyeu destiné à être ajusté serré sur un arbre rotatif, et un corps s'étendant radialement vers l'extérieur à partir du moyeu.
L'invention concerne également un banc d'essais pour turbine, comprenant une telle pièce de révolution formant un piston d'équilibrage, c'est-à-dire une pièce destinée à être soumise à la pression d'un fluide pressurisé pour appliquer une charge axiale à une turbine à tester.
Elle concerne enfin un procédé de test d'une turbine, telle qu'une turbine pour turbomachine d'aéronef, au moyen d'un tel banc d'essais.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
D'une manière générale, une pièce de révolution du type décrit ci- dessus, qui subit un mouvement de rotation rapide, a tendance à se déformer d'une manière telle que le corps de la pièce s'écarte radialement vers l'extérieur par rapport à l'axe de la pièce et entraîne avec lui une pa rtie du moyeu, provoquant de ce fait un desserrage non souhaitable de la pièce par rapport à l'arbre rotatif.
Ce problème concerne par exemple les pistons d'équilibrage utilisés dans les bancs d'essais de turbines, ou dans d'autres types de machines tournantes, par exemple dans les turbomachines.
Cette problématique est illustrée par les figures 1 à 3.
La figure 1 illustre un tel piston d'équilibrage au sein d'un banc d'essais de turbines 8. Ce piston d'équilibrage prend la forme d'une pièce de révolution 10 comprenant un moyeu 12, un corps 14 s'étendant radialement vers l'extérieur à partir du moyeu 12, par exemple depuis une extrémité axiale 15 du moyeu, et une tête 16 formée à l'extrémité radialement externe du corps 14 et présentant des lèvres d'étanchéité 18, parfois dénommées « léchettes ».
Le moyeu présente une face radialement interne 19 comportant une rainure annulaire 20 et deux portées cylindriques 22a, 22b séparées l'une de l'autre par la rainure annulaire 20 et ajustées serrées sur un arbre de rotor 24 du banc, typiquement par frettage. Cet arbre de rotor 24 est destiné à être raccordé à un arbre de rotor d'une turbine. Les portées cylindriques comprennent une première portée cylindrique 22a située du même côté axial que le corps 14 par rapport à la rainure annulaire 20, et une seconde portée cylindrique 22b située du côté axial opposé.
Les lèvres d'étanchéité 18 de la tête 16 coopèrent avec une piste cylindrique 26 portée par un élément de stator 28 du banc, de manière à former un joint à labyrinthe. Un tel joint d'étanchéité est destiné en fonctionnement à confiner un gaz pressurisé d'un côté du piston d'équilibrage 10, de sorte que celui-ci puisse convertir la pression du gaz en une charge axiale contre la turbine. D'autres types de joints d'étanchéité rotatifs peuvent être utilisés en variante, tels que des joints à brosse ou des joints à revêtement abradable.
La figure 2 illustre la pièce de révolution 10 en fonctionnement. Du fait de sa rotation à vitesse élevée, la pièce se déforme par effet centrifuge. Plus précisément, le corps 14 de la pièce s'écarte radialement vers l'extérieur et entraîne avec lui la première portée cylindrique 22a, et de proche en proche, l'ensemble du moyeu et donc en particulier la seconde portée cylindrique 22b, induisant ainsi un jeu entre chacune des deux portées cylindriques 22a, 22b et l'arbre de rotor 24. La déformation de la pièce de révolution 10 induit en outre une inclinaison de la tête 16, de nature à compromettre l'étanchéité du joint tournant.
Il en résulte donc un risque de désolidarisation de la pièce de révolution 10 et de l'arbre de rotor 24, illustré par la figure 3 qui est un graphe ayant pour abscisse la vitesse de rotation de l'arbre de rotor 24 en tours par minute, et en ordonnée le jeu vis-à- vis de l'arbre de rotor 24 en millimètres. Ce graphe comporte : une première courbe Cl concernant une première extrémité axiale 30a (figure 2a) de la zone de contact 32 entre la première portée cylindrique 22a et l'arbre de rotor 24, la première extrémité axiale 30a étant située du côté opposé à la seconde portée cylindrique 22b,
- une deuxième courbe C2 concernant une seconde extrémité axiale 30b (figure 2a) de la zone de contact 32 entre la première portée cylindrique 22a et l'arbre de rotor 24, la seconde extrémité axiale 30b étant située du côté de la seconde portée cylindrique 22b, une troisième courbe C3 concernant une première extrémité axiale 34a (figure 2a) de la zone de contact 36 entre la seconde portée cylindrique 22b et l'arbre de rotor 24, la première extrémité axiale 34a étant située du côté de la première portée cylindrique 22a, une quatrième courbe C4 concernant une seconde extrémité axiale 34b (figure 2a) de la zone de contact 36 entre la seconde portée cylindrique 22b et l'arbre de rotor 24, la seconde extrémité axiale 34b étant située du côté opposé à la première portée cylindrique 22a.
Sur ce graphe, la ligne horizontale Ll ayant pour ordonnée 0.016 mm symbolise le jeu maximal au-delà duquel le serrage (ou frettage) est considéré comme perdu pour la zone concernée.
Ainsi, le point PI, commun aux courbes Cl et C2, correspond à la perte du serrage de la première portée cylindrique 22a lorsque la vitesse de rotation atteint 9200 tours par minute. Le point P2 correspond au début d'une perte de serrage partielle de la seconde portée cylindrique 22b, lorsque la vitesse de rotation atteint 11100 tours par minute, tandis que le point P3 correspond à la perte totale du serrage de la seconde portée cylindrique 22b, lorsque la vitesse de rotation atteint une vitesse critique de 11600 tours par minute.
Une telle vitesse critique se révèle insuffisante pour le test des turbines de certains moteurs d'aéronefs, notamment dans le cas de turbopropulseurs de taille relativement réduite, dont le régime de fonctionnement nominal peut dépasser les 18000 tours par minute, tandis que le régime de survitesse maximal, auquel il est également nécessaire de tester la turbine, dépasse les 30000 tours par minute. Or, une perte de serrage du piston d'équilibrage en fonctionnement risque d'occasionner un balourd ou des vibrations néfastes, de nature à compromettre les possibilités d'atteindre le régime souhaité.
Il existe donc un besoin pour une pièce de révolution capable de conserver son serrage sur un arbre rotatif à des vitesses plus élevées que dans le cas des pièces de révolution de l'art antérieur.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, économique et efficace à ce problème.
Elle propose à cet effet une pièce de révolution, notamment pour banc d'essai de turbines ou pour turbomachine, destinée à être mise en rotation, et comprenant un moyeu destiné à être ajusté serré sur un arbre rotatif, et un corps s'étendant radialement vers l'extérieur à partir d'une extrémité axiale du moyeu.
Selon l'invention, le moyeu comporte cinq régions annulaires se succédant axialement à partir de l'extrémité axiale du moyeu, à savoir, dans l'ordre, une première région annulaire s'étendant dans le prolongement du corps, une deuxième région annulaire, une troisième région annulaire, une quatrième région annulaire, et une cinquième région annulaire, la deuxième région annulaire et la quatrième région annulaire présentant une épaisseur inférieure à une épaisseur des troisième et cinquième régions annulaires, de sorte que lorsque la pièce de révolution est soumise à une force centrifuge, les deuxième et quatrième régions annulaires forment des zones de déformation privilégiée se comportant comme un double pivot.
La conformation du moyeu permet ainsi de favoriser un découplage des déformations respectives de la cinquième région annulaire et du corps de la pièce, induites par la force centrifuge, ce qui permet en particulier de conserver le serrage de la cinquième région annulaire à des vitesses considérablement supérieures aux vitesses critiques des pièces de révolution de l'art antérieur.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la pièce de révolution comprend en outre une tête formée à une extrémité radialement externe du corps de la pièce de révolution et présentant des premiers moyens d'étanchéité formant une partie d'un joint d'étanchéité rotatif.
La pièce de révolution peut ainsi constituer un piston d'équilibrage ou tout autre type de pièce faisant partie d'un joint d'étanchéité rotatif.
Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le moyeu présente une face radialement interne comportant une rainure annulaire, et deux portées cylindriques séparées l'une de l'autre par la rainure annulaire et s'étendant respectivement en regard des première et cinquième régions annulaires.
De plus, la rainure annulaire s'étend de préférence en regard des deuxième, troisième et quatrième régions annulaires.
Le moyeu présente avantageusement une face radialement externe comportant deux gorges annulaires qui délimitent respectivement les deuxième et quatrième régions annulaires.
L'invention concerne également un banc d'essais pour turbine, comprenant un arbre de rotor destiné à supporter le rotor d'une turbine à tester, ainsi qu'une pièce de révolution du type décrit ci-dessus, ajustée serrée sur ledit arbre de rotor et destinée à être soumise à la pression d'un fluide pressurisé pour appliquer une charge axiale à la turbine à tester.
Dans cette application particulière, la pièce de révolution constitue ainsi un piston d'équilibrage.
De préférence, la pièce de révolution comprend en outre une tête formée à une extrémité radialement externe du corps de la pièce de révolution et présentant des premiers moyens d'étanchéité, et le banc comprend en outre un élément annulaire par rapport auquel la pièce de révolution est déplaçable en rotation, ledit élément annulaire présentant des seconds moyens d'étanchéité coopérant avec lesdits premiers moyens d'étanchéité pour former un joint d'étanchéité rotatif.
L'invention concerne enfin un procédé de test d'une turbine, telle qu'une turbine pour turbomachine d'aéronef, comprenant au moins des étapes consistant à monter la turbine dans un banc d'essais du type décrit ci-dessus, en particulier raccorder un rotor de la turbine à l'arbre de rotor du banc d'essais, puis mettre en rotation le rotor de la turbine, et provoquer ainsi une mise en rotation de la pièce de révolution, tout en appliquant un gaz pressurisé sur un côté du corps de la pièce de révolution opposé à la turbine de sorte que la pièce de révolution applique une charge axiale à la turbine. Selon ce procédé, le corps de la pièce de révolution s'écarte radialement vers l'extérieur sous l'effet d'une force centrifuge induite par la rotation de la pièce de révolution, tandis que les deuxième et quatrième régions annulaires du moyeu de la pièce de révolution se déforment comme un double pivot.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention sera mieux comprise, et d'autres détails, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1, déjà décrite, est une demi-vue schématique partielle en coupe axiale et en perspective d'un banc d'essai de turbine comprenant un piston d'équilibrage constitué d'une pièce de révolution d'un type connu comprenant un moyeu ajusté serré sur un arbre de rotor ;
- la figure 2, déjà décrite, est une demi-vue schématique en coupe axiale de la pièce de révolution du banc de la figure 1, déformée par effet centrifuge ;
- la figure 2a, déjà décrite, est une vue à plus grande échelle d'une partie de la figure 2, illustrant le moyeu de la pièce de révolution ;
- la figure 3, déjà décrite, est un graphe illustrant l'évolution du jeu entre le moyeu de la pièce de révolution et l'arbre de rotor du banc de la figure 1, en fonction de la vitesse de rotation de l'arbre de rotor ;
- la figure 4 est une demi-vue schématique partielle en coupe axiale et en perspective d'un banc d'essai comprenant un piston d'équilibrage constitué d'une pièce de révolution selon un mode de réalisation préféré de l'invention, comprenant un moyeu ajusté serré sur un arbre de rotor ;
- la figure 5 est une vue à plus grande échelle d'une partie de la figure 4, illustrant la pièce de révolution et l'arbre de rotor du banc d'essais de la figure 4 ; - la figure 6 est un schéma de principe illustrant le comportement mécanique de la pièce de révolution de la figure 5 ;
- la figure 7 est une demi-vue schématique en coupe axiale de la pièce de révolution de la figure 5, déformée par effet centrifuge ;
- la figure 7a est une vue à plus grande échelle d'une partie de la figure 7, illustrant le moyeu de la pièce de révolution de la figure 5 ;
- la figure 7b est une vue à plus grande échelle d'une autre partie de la figure 7, illustrant une tête de la pièce de révolution de la figure 5 ;
- la figure 8 est un graphe illustrant l'évolution du jeu entre le moyeu de la pièce de révolution et l'arbre de rotor du banc de la figure 4, en fonction de la vitesse de rotation de l'arbre de rotor ;
- la figure 9 est un graphe illustrant la déformation de la tête de la pièce de révolution du banc de la figure 4, en fonction de la vitesse de rotation de l'arbre de rotor.
Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS
La figure 4 illustre une partie d'un banc d'essai 40 selon un mode de réalisation préféré de l'invention, cette partie étant parfois dénommée « machine d'essai » et comprenant essentiellement une turbine 42 à tester, une volute d'entrée d'air 44, une volute de sortie d'air 46, une ligne d'arbres 47 et un dispositif de support 48 associé comprenant notamment un ensemble de paliers pour supporter le rotor et le stator de la turbine 42, ainsi que des moyens de mesure 50. La ligne d'arbre comporte en particulier un arbre de rotor 24 (figure 5). Sur la figure 4, les flèches 52 illustrent le trajet de l'air au sein de la machine d'essai en fonctionnement.
Le dispositif de support 48 comporte en particulier un piston d'équilibrage formé d'une pièce de révolution 60 (figure 5) selon un mode de réalisation préféré de l'invention. La pièce de révolution 60 est globalement semblable à la pièce de révolution 10 de type connu des figures 1 et 2, mais elle s'en distingue principalement du fait que le moyeu 62 comporte cinq régions annulaires se succédant axialement à partir de l'extrémité axiale 15 du moyeu 62, à savoir, dans l'ordre (de la gauche vers la droite sur la figure 5) : une première région annulaire 68 s'étendant dans le prolongement du corps 14, une deuxième région annulaire 64a, une troisième région annulaire 66, une quatrième région annulaire 64b, et une cinquième région annulaire 70, telles que la deuxième région annulaire 64a et la quatrième région annulaire 64b présentent des épaisseurs respectives W2 inférieures à une épaisseur W3 de la troisième région annulaire 66 et une épaisseur W5 de la cinquième région annulaire 70.
D'une manière générale, le moyeu 62 est ajusté serré sur l'arbre de rotor 24, de préférence par frettage. A cet effet, le moyeu présente, d'une manière connue en soi, une face radialement interne 19 comportant une rainure annulaire 20 et deux portées cylindriques 22a, 22b séparées l'une de l'autre par la rainure annulaire 20 et ajustées serrées sur l'arbre de rotor 24. Une première 22a des portées cylindriques s'étend axialement au niveau de la première région annulaire 68, tandis que la seconde portée cylindrique 22b s'étend axialement au niveau de la cinquième région annulaire 70.
Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, la rainure annulaire 20 s'étend en regard de la troisième région annulaire et en regard des deuxième et quatrième régions annulaires 64a, 64b. L'épaisseur W3 de la troisième région annulaire 66 est ainsi supérieure à l'épaisseur W2 des deuxième et quatrième régions annulaires 64a, 64b tout en étant inférieure à l'épaisseur W5 de la cinquième région annulaire 70.
Par ailleurs, dans l'exemple illustré, la cinquième région annulaire 70 forme une extrémité libre du moyeu 62 située du côté opposé au corps 14.
De plus, le moyeu 62 présente une face radialement externe 72 comportant deux gorges annulaires 74a, 74b qui délimitent respectivement les deuxième et quatrième régions annulaires 64a, 64b. Les gorges annulaires 74a, 74b présentent de préférence une section en portion de cercle, mais peuvent en variante, présenter d'autres types de section, par exemple une section en V.
D'une manière générale, les deuxième et quatrième régions annulaires 64a, 64b forment des zones de déformation privilégiée lorsque la pièce de révolution 60 est soumise à une force centrifuge. En particulier, comme l'illustre le schéma de la figure 6, le comportement des deuxième et quatrième régions annulaires 64a, 64b peut être assimilé à celui d'un double pivot, lorsque l'on considère une demi-vue en section axiale de la pièce de révolution 60.
La conformation du moyeu 62 permet ainsi de favoriser l'indépendance du comportement mécanique de la seconde portée cylindrique 22b par rapport à la première portée cylindrique 22a, vis-vis des déformations de la pièce de révolution 60 lorsque cette dernière est soumise à une force centrifuge. Autrement dit, les déformations de la cinquième région annulaire 70 se trouvent ainsi au moins partiellement décorrélées des déformations du corps 14 et de la première région annulaire 68.
La conformation du moyeu 62 permet ainsi de conserver un niveau de serrage acceptable, à des vitesses de rotation supérieures aux vitesses autorisées par les pièces de révolution de l'art antérieur.
La figure 7 illustre la pièce de révolution 60 en rotation à une vitesse de 20000 tours par minute, et montre que la seconde portée cylindrique 22b (et donc la cinquième région annulaire 70) est toujours serrée sur l'arbre de rotor 24 à cette vitesse (voir aussi la figure 7a), malgré les déformations du corps 14 induites par la force centrifuge F.
Plus précisément, la figure 8 est un graphe ayant pour abscisse la vitesse de rotation de l'arbre de rotor 24 en tours par minute, et en ordonnée le jeu vis-à-vis de l'arbre de rotor 24 en millimètres. Ce graphe comporte :
une cinquième courbe C5 concernant une première extrémité axiale 34a (figure 7a) de la zone de contact 36 entre la seconde portée cylindrique 22b et l'arbre de rotor 24, la première extrémité axiale 34a étant située du côté de la première portée cylindrique 22a,
une sixième courbe C6 concernant une seconde extrémité axiale 34b (figure 7a) de la zone de contact 36 entre la seconde portée cylindrique 22b et l'arbre de rotor 24, la seconde extrémité axiale 34b étant située du côté opposé à la première portée cylindrique 22a. Sur ce graphe, la ligne horizontale L2 ayant pour ordonnée 0.016 mm symbolise le jeu maximal au-delà duquel le serrage (ou frettage) est considéré comme perdu pour la zone concernée.
Ainsi, le point P4 correspond à la perte du serrage de la seconde extrémité axiale 34b, et donc de la pièce de révolution 60.
Comme cela apparaît également sur la figure 7, la tête 16 de la pièce de révolution 60 conserve sensiblement la même orientation en rotation à 20000 tours par minute que lorsque la pièce de révolution 60 est à l'arrêt (voir également la figure 7b). La déformation de la pièce de révolution 60 induit en effet un déplacement de la tête 16 qui, vu en section axiale, s'apparente sensiblement à une translation.
Cet avantage se déduit également de la figure 9 qui est un graphe ayant pour abscisse la vitesse de rotation de l'arbre de rotor 24 en tours par minute, et en ordonnée le déplacement des lèvres d'étanchéité 18 de la tête 16. Ce graphe comporte : une septième courbe C7 concernant une première lèvre d'étanchéité extrêmale 18a (figure 7b) située du côté axial opposé au moyeu 62,
une huitième courbe C8 concernant une deuxième lèvre d'étanchéité extrêmale 18b (figure 7b) située du même côté axial que le moyeu 62.
Ce graphe montre que les déplacements respectifs de ces deux lèvres d'étanchéité extrêmales 18a, 18b restent très proches dans tout le domaine de fonctionnement du banc d'essais, en particulier autour de 20000 tours par minute.
L'invention concerne également un procédé de test d'une turbine 42, telle qu'une turbine pour turbomachine d'aéronef, comprenant au moins des étapes consistant à monter la turbine 42 dans un banc d'essais 40 du type décrit ci-dessus, en particulier raccorder un rotor de la turbine à l'arbre de rotor 24 du banc d'essais, puis à mettre en rotation le rotor de la turbine, et provoquer ainsi une mise en rotation du piston d'équilibrage formé par la pièce de révolution 60, tout en appliquant un gaz pressurisé 80 (figure 5) sur un côté 82 du corps 14 du piston d'équilibrage opposé à la turbine 42 de sorte que le piston d'équilibrage applique une charge axiale à la turbine.
Dans ce procédé, le corps 14 du piston d'équilibrage 60 s'écarte radialement vers l'extérieur sous l'effet de la force centrifuge F (figure 7) induite par la rotation du piston d'équilibrage, tandis que les deuxième et quatrième régions annulaires 64a, 64b du moyeu 62 se déforment comme un double pivot, permettant de limiter la déformation de la cinquième région annulaire 70 au regard de la déformation du corps 14, comme expliqué ci-dessus.

Claims

REVENDICATIONS
1. Pièce de révolution (60) pour banc d'essai de turbines ou pour turbomachine, destinée à être mise en rotation, et comprenant un moyeu (62) destiné à être ajusté serré sur un arbre rotatif (24), et un corps (14) s'étendant radialement vers l'extérieur à partir d'une extrémité axiale (15) du moyeu,
caractérisée en ce que le moyeu (62) comporte cinq régions annulaires se succédant axialement à partir de l'extrémité axiale (15) du moyeu, à savoir, dans l'ordre, une première région annulaire (68) s'étendant dans le prolongement du corps (14), une deuxième région annulaire (64a), une troisième région annulaire (66), une quatrième région annulaire (64b), et une cinquième région annulaire (70),
la deuxième région annulaire (64a) et la quatrième région annulaire (64b) présentant une épaisseur (W2) inférieure à une épaisseur (W3, W5) des troisième et cinquième régions annulaires (66, 70), de sorte que lorsque la pièce de révolution est soumise à une force centrifuge (F), la deuxième région annulaire (64a) et la quatrième région annulaire (64b) forment des zones de déformation privilégiée se comportant comme un double pivot.
2. Pièce de révolution selon la revendication 1, comprenant en outre une tête (16) formée à une extrémité radialement externe du corps (14) de la pièce de révolution et présentant des premiers moyens d'étanchéité (18) formant une partie d'un joint d'étanchéité rotatif.
3. Pièce de révolution selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le moyeu (62) présente une face radialement interne (19) comportant une rainure annulaire (20), et deux portées cylindriques (22a, 22b) séparées l'une de l'autre par la rainure annulaire (20) et s'étendant respectivement en regard des première et cinquième régions annulaires (68, 70).
4. Pièce de révolution selon la revendication 3, dans laquelle la rainure annulaire (20) s'étend en regard des deuxième, troisième et quatrième régions annulaires (64a, 66, 64b).
5. Pièce de révolution selon l'une quelconque des revendications 1 à
4, dans laquelle le moyeu (62) présente une face radialement externe (72) comportant deux gorges annulaires (74a, 74b) qui délimitent respectivement les deuxième et quatrième régions annulaires (64a, 64b).
6. Banc d'essais (40) pour turbine, comprenant un arbre de rotor (24) destiné à supporter le rotor d'une turbine (42) à tester, ainsi qu'une pièce de révolution (60) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 ajustée serrée sur ledit arbre de rotor et destinée à être soumise à la pression d'un fluide (80) pressurisé pour appliquer une charge axiale à la turbine à tester.
7. Banc d'essais selon la revendication 6, dans laquelle la pièce de révolution (60) est une pièce de révolution selon la revendication 2, le banc d'essais (40) comprenant en outre un élément annulaire (28) par rapport auquel la pièce de révolution (60) est déplaçable en rotation, ledit élément annulaire (28) présentant des seconds moyens d'étanchéité (26) coopérant avec lesdits premiers moyens d'étanchéité (18) pour former un joint d'étanchéité rotatif.
8. Procédé de test d'une turbine (42), telle qu'une turbine pour turbomachine d'aéronef, comprenant au moins des étapes consistant à :
- monter la turbine (42) dans un banc d'essais (40) selon la revendication 6 ou 7, en particulier raccorder un rotor de la turbine à l'arbre de rotor (24) du banc d'essais, puis
- mettre en rotation le rotor de la turbine, et provoquer une mise en rotation de la pièce de révolution (60), tout en appliquant un gaz pressurisé (80) sur un côté (82) du corps (14) de la pièce de révolution (60) opposé à la turbine (42) de sorte que la pièce de révolution (60) applique une charge axiale à la turbine, dans lequel le corps (14) de la pièce de révolution (60) s'écarte radialement vers l'extérieur sous l'effet d'une force centrifuge (F) induite par la rotation de la pièce de révolution (60), tandis que les deuxième et quatrième régions annulaires (64a, 64b) du moyeu (62) de la pièce de révolution (60) se déforment comme un double pivot.
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