FR2931870A1 - Equilibrage d'une piece tournante dans une turbomachine. - Google Patents
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Abstract
Pièce tournante (10) de turbomachine, comportant des moyens d'équilibrage en rotation montés sur une portée (14) sensiblement cylindrique de la pièce, caractérisée en ce que les moyens d'équilibrage comprennent au moins une bague (22) en matériau superélastique du type à mémoire de forme montée serrée sur la portée cylindrique (14) de la pièce, et ayant un centre de gravité écarté de l'axe de symétrie (30) de sa surface interne (32) et positionné de manière à compenser un balourd de la pièce.
Description
Equilibrage d'une pièce tournante dans une turbomachine
La présente invention concerne l'équilibrage de pièces en rotation, en particulier dans des turbomachines telles que des turboréacteurs d'avion. Dans un turboréacteur, l'équilibrage d'une pièce tournante, telle qu'un arbre, un disque ou un tambour de rotor, est habituellement effectué par usinage d'un ou de plusieurs cordons formés sur le pourtour de la pièce, typiquement au nombre de un à trois dans le cas de l'équilibrage d'un arbre de turbine, ou par l'installation de masselottes sur la pièce, ces masselottes étant en général fixées à la pièce par des rivets ou des vis. Ces méthodes d'équilibrage comportent cependant de nombreux inconvénients. L'usinage de cordons impose en effet un remontage de la pièce sur une machine outil ou l'utilisation de moyens d'usinage sur équilibreuse, se traduisant par d'importants coûts financiers et de main d'oeuvre. Cet usinage nécessite généralement de surcroît la reprise d'opérations de protection, telles que des opérations de peinture ou de grenaillage.
En outre, l'équilibrage d'une pièce par des cordons usinés est définitif et ne permet pas de modification de l'équilibrage au cours de la vie de la pièce. L'équilibrage de la pièce au moyen de masselottes, sans prévoir des surépaisseurs importantes, se révèle quant à lui peu précis et dangereux du fait de risques de séparation des masselottes. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, économique et efficace à ces problèmes, permettant d'éviter les inconvénients de la technique connue. Elle a également pour but de permettre l'équilibrage de pièces 30 tournantes sans recourir à des opérations d'usinage ou à des moyens mécaniques de fixation.
L'invention a notamment pour objet des moyens et un procédé d'équilibrage de pièces en rotation dans une turbomachine, mettant à profit les propriétés de superélasticité de certains alliages à mémoire de forme. Elle propose à cet effet une pièce tournante de turbomachine, comportant des moyens d'équilibrage en rotation montés sur une portée sensiblement cylindrique de la pièce, caractérisée en ce que les moyens d'équilibrage comprennent au moins une bague en matériau superélastique du type à mémoire de forme montée serrée sur la portée cylindrique de la pièce, et ayant un centre de gravité écarté de l'axe de symétrie de sa surface interne et positionné de manière à compenser un balourd de la pièce. La bague peut être montée sur toute pièce comportant une surface ou une portée cylindrique, et permet un équilibrage de la pièce en rotation sans usinage de la pièce et sans utiliser de moyens mécaniques de fixation de masselottes. L'invention évite ainsi également d'avoir à reprendre des opérations de protection, telles que des opérations de peinture ou de grenaillage, après équilibrage de la pièce. La bague selon l'invention permet en outre de modifier l'équilibrage de la pièce au cours de sa vie, par modification du positionnement angulaire de la bague sur la pièce ou par usinage de cette bague, ou encore par un remplacement de la bague par une bague de géométrie différente. Les propriétés superélastiques, du matériau à mémoire de forme dans lequel est réalisée la bague perrnettent un montage et un démontage aisé de cette dernière par élongation puis coulissement de la bague sur la pièce tournante. La bague peut par exemple servir à l'équilibrage d'un arbre de turbine, d'un disque de rotor ou encore d'un tambour. La bague est de préférence réalisée dans un matériau présentant 30 une capacité d'élongation élastique maximale comprise entre 2% et 15%. La bague est avantageusement montée avec une précontrainte dans une gorge annulaire de la portée cylindrique. Cette gorge annulaire assure un bon maintien axial de la bague sur la pièce tournante. La précontrainte assure le blocage de la bague en position angulaire dans la gorge et permet de compenser des contraintes centrifuges induites par la rotation de la pièce sur laquelle la bague est montée, pour maintenir l'adhérence de la bague sur la pièce tournante. Selon une autre caractéristique de l'invention, la bague est du type excentrique.
On appelle ainsi une bague présentant des surfaces interne et externe cylindriques d'axes non confondus. Le centre de gravité d'une telle bague est écarté de l'axe de sa surface cylindrique interne, de sorte qu'une rotation de la bague autour de cet axe entraîne une rotation de son centre de gravité, apte à permettre l'équilibrage en rotation de la pièce tournante sur laquelle la bague est montée. En variante, la bague comprend au moins une surépaisseur usinable dans sa surface externe. L'usinage de la surépaisseur de la bague permet de lui conférer une géométrie sur mesure, ce qui peut être nécessaire selon le type de balourd à compenser, ou quand un déplacement angulaire de la bague n'est pas possible. En variante, la bague porte des masselottes, celles-ci pouvant se révéler utiles pour compenser les balourds les plus importants. Selon une autre caractéristique de l'invention, la bague a une 25 densité du même ordre de grandeur que la densité du matériau de la portée cylindrique de la pièce tournante. Il est ainsi possible d'équilibrer la pièce tournante avec une bague ayant des dimensions du même ordre de grandeur que celles des cordons d'équilibrage de l'art antérieur. 30 Le coefficient de frottement entre la bague et la pièce tournante est de préférence supérieur à 0,7 environ, de sorte que les risques d'une rotation de la bague en fonctionnement, et donc d'un déséquilibrage de la pièce tournante, sont quasiment nuls. Selon une autre caractéristique de l'invention, la bague est en un alliage comprenant du nickel et du titane, et de préférence, comprenant également du cuivre. La bague comprend avantageusement des moyens de préhension, tels qu'au moins un ergot, une encoche ou un orifice. Ces moyens de préhension permettent de faire tourner la bague autour de la pièce tournante, par exemple à l'aide de pinces à griffes ou analogues, pour l'équilibrage de la pièce. Ces moyens peuvent aussi coopérer avec un outil, par exemple à pince, pour soumettre la bague à une élongation lors de son installation sur la pièce tournante ou pour la retirer de cette pièce. La bague peut aussi comprendre un crantage formé sur sa surface interne pour définir une série discrète de positions angulaires de la bague par rapport à la pièce tournante. Ce crantage est destiné à coopérer avec un crantage analogue, ou plus généralement avec un marquage en relief, formé sur la pièce tournante, le cas échéant à l'intérieur de sa gorge annulaire, pour faciliter le positionnement angulaire de la bague. Les moyens d'équilibrage peuvent comprendre plusieurs bagues du type décrit ci-dessus. L'utilisation conjointe de plusieurs bagues peut permettre de mieux répartir l'équilibrage le long de l'axe ,de rotation de la pièce tournante, et d'équilibrer des balourds particulièrement importants. Selon une autre caractéristique de l'invention, la ou les bagues sont choisies dans un ensemble de bagues du type à cotes delta. Un tel ensemble comprend une série de bagues dont les épaisseurs respectives sont échelonnées de sorte que l'épaisseur de chaque bague de la série diffère d'une même valeur delta de l'épaisseur de la bague qui la précède ou qui la suit dans cette série.
Un ensemble de bagues à cotes delta offre ainsi un choix optimal de bagues pour compenser tout type de balourd. L'invention concerne également une turbomachine telle qu'un turboréacteur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une pièce tournante selon l'une des revendications précédentes. L'invention concerne encore un procédé d'équilibrage d'une pièce tournante dans une turbomachine, caractérisé en ce qu'il consiste à monter fixement, sur une portée cylindrique de la pièce, une bague en matériau superélastique du type à mémoire de forme que l'on soumet préalablement à une élongation suffisante pour permettre de déplacer la bague en coulissement sur la pièce tournante, et qu'on laisse revenir à une dimension initiale lorsqu'elle est en un emplacement prévu sur la pièce tournante, la bague étant ensuite usinée ou déplacée angulairement autour de la pièce pour l'équilibrage en rotation de cette pièce.
Ce procédé d'équilibrage permet de mettre à profit une bague du type décrit ci-dessus, et offre les avantages déjà mentionnés procurés par cette bague, en permettant notamment de s'affranchir de la nécessité d'un usinage de la pièce tournante ou de mécanismes de fixation de masselottes sur cette pièce.
La bague est avantageusement déplacée angulairement autour de la pièce au moyen d'une clé à griffes coopérant avec des moyens de préhension de la bague, tels qu'un ergot, une encoche ou un orifice. L'utilisation d'une clé à griffes en combinaison avec des moyens de préhension prévus sur la bague facilite le réglage du positionnement angulaire de la bague, et donc l'équilibrage de la pièce tournante. Le procédé consiste également: à monter sur la pièce tournante, de la manière décrite ci-dessus, au moins une bague choisie parmi une série de bagues du type à cotes delta. Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé consiste en outre, si une bague montée antérieurement ne permet pas d'équilibrer la pièce tournante, à retirer la bague en la soumettant de nouveau à une élongation au moyen d'un outillage approprié et en la déplaçant en coulissement sur la pièce tournante, puis à monter sur la portée cylindrique de la pièce une autre bague ayant une géométrie différente de celle de la première bague.
Il s'agit ainsi de procéder à des, tentatives successives d'équilibrage au moyen de bagues différentes provenant d'une série de bagues échelonnées. Cela se révèle utile lorsqu'une bague déterminée n'est pas en mesure, quelle que soit sa position angulaire, d'équilibrer la pièce tournante sur laquelle cette bague est montée. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement 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 demi-vue schématique partielle en coupe axiale d'un arbre de turbine de turbomachine selon l'invention ; la figure 2 est une vue à plus grande échelle du détail la de la figure 1 ; la figure 3 est une vue schématique partielle en coupe transversale selon le plan A-A de la figure 2 ; la figure 4 représente une courbe d'extension d'une bague selon l'invention. On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente un arbre 10 de turbine dans un turboréacteur d'avion, un tel arbre étant destiné à l'entraînement en rotation, par une turbine, d'un compresseur autour d'un axe 12, d'une manière bien connue. Selon l'invention, l'arbre 10 comprend des portées cylindriques 14, 16, 18 et 20, sur lesquelles des bagues à centre de gravité écarté par rapport à l'axe 12 de l'arbre sont montées serrées et orientées angulairement pour l'équilibrage de l'arbre en rotation.
Les figures 2 et 3 représentent en particulier une bague 22 montée sur la portée cylindrique 14 de l'arbre 10, dans une gorge annulaire 24 de cette portée cylindrique. La bague 22 a par exemple une section axiale sensiblement rectangulaire, et elle est du type excentrique, c'est-à-dire que l'axe 26 de sa surface cylindrique externe 28 n'est pas confondu avec l'axe 30 de sa surface cylindrique interne 32, ce dernier étant en revanche confondu avec l'axe 12 de l'arbre 10, compte tenu du montage serré de la bague 22 sur la portée cylindrique 14 de cet arbre.
Du fait de l'excentricité de la bague 22, le centre de gravité de cette dernière est écarté de l'axe 30 de sa surface cylindrique interne 32, de sorte que la bague 22 peut permettre, en fonction de sa position angulaire autour de l'axe de l'arbre 10, de cornpenser un balourd de l'arbre 10 et ainsi d'équilibrer ce dernier en rotation.
La bague 22 est réalisée dans un matériau superélastique, tel qu'un alliage de nickel, titane et cuivre, du type couramment appelé NiCuTi et appartenant à la classe des matériaux à mémoire de forme. La superélasticité de cet alliage permet à la bague de subir des élongations élastiques très importantes, pouvant atteindre jusqu'à 15% en fonction de l'alliage utilisé, pour son montage par coulissement sur l'arbre 10, comme cela apparaîtra plus clairement dans ce qui suit. La courbe de l'allongement élastique e de cet alliage en fonction de la contrainte a à laquelle il est soumis est représentée en figure 4, et comprend un palier 33, ce qui permet d'obtenir une élongation importante à partir d'un certain effort de traction, sans augmenter beaucoup cet effort. La bague 22 comporte une encoche 34 de préhension pour permettre notamment son déplacement angulaire, par exemple au moyen d'une pince à griffe. En variante ou de manière complémentaire, la bague 22 peut 30 comporter d'autres moyens de préhension, tels que des ergots ou des orifices.
Le coefficient de frottement entre la surface cylindrique interne 32 de la bague 22 et la portée cylindrique 14 de l'arbre 10 est supérieur à 0,7 environ, de sorte que dans des conditions normales de fonctionnement du turboréacteur, la bague 22 ne risque pas de se déplacer en rotation par rapport à l'arbre 10. De manière facultative, la bague 22 peut également comporter un crantage sur sa surface cylindrique interne 32 et la portée 14 peut comporter un marquage en relief, ce marquage pouvant être un crantage similaire au crantage de la bague 22, pour définir une série discrète de positions angulaires de la bague, et faciliter ainsi le réglage de son positionnement angulaire et assurer le blocage de la bague en rotation. Lorsque le turboréacteur fonctionne, la bague 22 est soumise à des contraintes centrifuges de nature à provoquer son élongation. Pour que la bague 22 adhère à la portée cylindrique 14 et conserve sa position angulaire malgré ces contraintes centrifuges, elle est montée sur cette portée cylindrique avec une précontrainte ao suffisante pour compenser les contraintes centrifuges les plus élevées auxquelles la bague 22 est susceptible d'être soumise pendant un fonctionnement normal du turboréacteur. Pour cette raison, la bague 22 présente une légère élongation E0 lorsqu'elle est montée sur l'arbre 10, comme le montre la figure 4. L'équilibrage de l'arbre 10 consiste, selon l'invention, à soumettre la bague 22 à contrainte a1, par exemple au moyen d'un outil à pince, pour provoquer une élongation élastique E, de la bague 22, d'ampleur suffisante pour pouvoir ensuite déplacer la bague en coulissement sur l'arbre 10 depuis une extrémité de cet arbre jusqu'à ce que la bague 22 atteigne la gorge annulaire 24. Il suffit alors de laisser la bague 22 se contracter naturellement dans la gorge annulaire 24, puis de déplacer la bague 22 angulairement autour de l'arbre 10 jusqu'à ce que ce dernier soit équilibré en rotation.
Si la bague 22 ne permet pas un équilibrage satisfaisant de l'arbre 10, le procédé d'équilibrage selon l'invention consiste à retirer la bague 22, en la soumettant de nouveau à une élongation, et en la déplaçant en coulissement sur l'arbre 10, puis à effectuer une nouvelle tentative d'équilibrage avec une bague d'épaisseur différente, ce procédé pouvant être réitéré autant que nécessaire jusqu'à l'obtention d'un équilibrage satisfaisant de l'arbre 10. Alternativement ou de manière complémentaire, il est possible de monter de la manière décrite ci-dessus plusieurs bagues semblables à la bague 22 en différents endroits de l'arbre, par exemple sur les portées cylindriques 16, 18 et 20 visibles sur la figure 1, et de procéder à l'équilibrage de l'arbre en déplaçant angulairement chacune de ces bagues, et si cela se révèle nécessaire, en testant différentes bagues pour chacune des portées cylindriques de l'arbre.
Il est préférable, pour faciliter l'équilibrage de l'arbre 10, de disposer d'une série de bagues excentriques à cotes delta, c'est-à-dire dont les épaisseurs sont échelonnées de sorte que chaque bague a une épaisseur qui diffère d'une même valeur delta de la bague qui la précède ou la suit dans la série.
En variante, le procédé d'équilibrage décrit ci-dessus comprend l'utilisation de bagues comportant une ou plusieurs surépaisseurs usinables. Lors de l'équilibrage de l'arbre, l'étape de positionnement angulaire de ces bagues peut alors être remplacée ou complétée par une étape d'usinage des bagues.
Les bagues peuvent également porter des masselottes pour compenser les balourds les plus importants. Dans tous les cas, l'utilisation de bagues en alliage superélastique procure les avantages décrits ci-dessus, et permet notamment un montage et un démontage aisés des bagues.
D'une manière générale, les bagues d'équilibrage proposées par l'invention sont réalisées dans un alliage ayant une densité du même ordre de grandeur que celle du matériau de la pièce sur laquelle elles sont montées, de sorte que ces bagues ont des dimensions proches des dimensions des cordons d'équilibrage de l'art antérieur. Le procédé d'équilibrage selon l'invention n'est bien entendu pas 5 limité à un arbre de turbine, et peut être appliqué à toute pièce tournante, telle par exemple qu'un disque de rotor de turboréacteur.
Claims (19)
- REVENDICATIONS1. Pièce tournante (10) de turbomachine, comportant des moyens d'équilibrage en rotation montés sur une portée (14) sensiblement cylindrique de la pièce, caractérisée en ce que les moyens d'équilibrage comprennent au moins une bague (22) en matériau superélastique du type à mémoire de forme montée serrée sur la portée cylindrique (14) de la pièce, et ayant un centre de gravité écarté de l'axe de symétrie (30) de sa surface interne (32) et positionné de manière à compenser un balourd de la pièce.
- 2. Pièce tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que la bague (22) est réalisée dans un matériau présentant une capacité d'élongation élastique maximale comprise entre 2% et 15%.
- 3. Pièce tournante selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la bague (22) est montée avec une précontrainte ao dans une gorge annulaire (24) de la portée cylindrique (14).
- 4. Pièce tournante selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la bague (22) est du type excentrique.
- 5. Pièce tournante selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la bague comprend au moins une surépaisseur usinable dans sa surface externe.
- 6. Pièce tournante selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la bague porte des masselottes.
- 7. Pièce tournante selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la bague (22) a une densité du même ordre de grandeur que la densité du matériau de la portée cylindrique (24) de la pièce tournante (10).
- 8. Pièce tournante selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le coefficient de frottement entre la bague (22) et la pièce tournante (10) est supérieur à 0,7 environ.
- 9. Pièce tournante selon l'une des revendications précédentes,caractérisée en ce que la bague (22) est en un alliage comprenant du nickel et du titane.
- 10. Pièce tournante selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'alliage comprend du cuivre.
- 11. Pièce tournante selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la bague (22) comprend des moyens de préhension, tels qu'au moins un ergot, une encoche (34) ou un orifice.
- 12. Pièce tournante selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la bague (22) comprend un crantage formé sur sa surface interne (32) pour définir une série discrète de positions angulaires de la bague (22) par rapport à la pièce tournante (10).
- 13. Pièce tournante selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une bague d'équilibrage choisie dans un ensemble de bagues du type à cotes delta.
- 14. Turbomachine telle qu'un turboréacteur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une pièce tournante (10) selon l'une des revendications précédentes.
- 15. Procédé d'équilibrage d'une pièce tournante (10) dans une turbomachine, caractérisé en ce qu'il consiste à monter fixement, sur une portée cylindrique (14, 16, 18, 20) de la pièce (10), au moins une bague (22) en matériau superélastique du type à mémoire de forme et ayant un centre de gravité écarté de l'axe de symétrie (30) de sa surface interne (32), que l'on soumet préalablement à une élongation E, suffisante pour permettre de déplacer la bague (22) en coulissement sur la pièce tournante (10), et qu'on laisse revenir à une dimension initiale lorsqu'elle est en un emplacement prévu sur la pièce tournante (10), la bague (22) étant ensuite déplacée angulairement autour de la pièce (10) pour l'équilibrage en rotation de cette pièce.
- 16. Procédé d'équilibrage d'une pièce tournante (10) dans une turbomachine, caractérisé en ce qu'il consiste à monter fixement, sur une portée cylindrique (14, 16, 18, 20) de la pièce (10), au moins unebague (22) en matériau superélastique du type à mémoire de forme que l'on soumet préalablement à une élongation s, suffisante pour permettre de déplacer la bague (22) en coulissement sur la pièce tournante (10), et qu'on laisse revenir à une dimension initiale lorsqu'elle est en un emplacement prévu sur la pièce tournante (10), la bague (22) étant ensuite usinée pour que son centre de gravité soit écarté de l'axe de symétrie (30) de sa surface interne (32) afin d'équilibrer en rotation la pièce.
- 17. Procédé selon la revendication 15 ou 16, caractérisé en ce que la bague (22) est déplacée angulairement autour de la pièce (10) au moyen d'une clé à griffes coopérant avec des moyens de préhension formés sur la bague, tels qu'un ergot, une encoche (34) ou un orifice.
- 18. Procédé selon l'une des revendications 15 à 17, caractérisé en ce que la bague est choisie parmi une série de bagues du type à cotes delta.
- 19. Procédé selon l'une des revendications 15 à 18, caractérisé en ce qu'il consiste en outre, si une bague (22) montée antérieurement ne permet pas d'équilibrer la pièce tournante (10), à retirer la bague (22) en la soumettant de nouveau à une élongation au moyen d'un outillage approprié et en la déplaçant en coulissement sur la pièce tournante (10), puis à monter sur la portée cylindrique de la pièce (10) une autre bague ayant une géométrie différente de celle de la première bague (22).
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