FR3010442A1

FR3010442A1 - Disque aubage monobloc a contraintes reduites en pied d'aube, de preference pour soufflante de turbomachine d'aeronef

Info

Publication number: FR3010442A1
Application number: FR1358646A
Authority: FR
Inventors: Damien Merlot; Remi Sers
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2013-09-09
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2015-03-13
Anticipated expiration: 2033-09-09
Also published as: GB2519845A; US9765637B2; GB201415103D0; US20150267545A1; FR3010442B1; GB2519845B

Abstract

L'invention concerne un ensemble pour turbomachine d'aéronef comprenant un élément d'une seule pièce (42) comportant un disque (44) ainsi qu'une pluralité d'aubes (48). Chaque aube présente une zone (64) de raccordement au disque, comportant une première partie (64a) agencée au niveau d'une surface extérieure de délimitation de veine (50) prévue sur le disque (44), et au moins une seconde partie d'extrémité (64b) agencée au niveau d'un évidement (72) du disque prévu dans le prolongement axial de la surface extérieure (50), le rayon de raccordement moyen défini par la seconde partie d'extrémité (64b) étant plus élevé que celui défini par la première partie (64a). De plus, l'ensemble comporte une pièce de reconstitution de veine agencée dans la continuité aérodynamique de la surface extérieure (50), de manière à recouvrir l'évidement (72).

Description

DISQUE AUBAGE MONOBLOC A CONTRAINTES REDUITES EN PIED D'AUBE, DE PREFERENCE POUR SOUFFLANTE DE TURBOMACHINE D'AERONEF DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine des turbomachines d'aéronef, et de préférence aux turboréacteurs. Elle concerne plus précisément la conception et la fabrication d'éléments d'une seule pièce intégrant un disque ainsi que des aubes portées par ce disque. Une application privilégiée concerne les disques aubagés monoblocs pour soufflante de turbomachine. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Certains turboréacteurs existants comportent des éléments fabriqués d'une seule pièce intégrant chacun un disque ainsi que des aubes faisant saillie de ce disque. Il s'agit préférentiellement d'éléments tournants, par exemple intégrés à la soufflante, ou bien encore intégrés au module de compresseur ou au module de turbine. Il s'agit en particulier d'éléments dits « disques aubagés monoblocs », chacun présentant un disque complet portant les aubes à sa périphérie.

Le pied des aubes peuvent être le siège de contraintes importantes, en particulier au niveau des bords d'attaque et/ou des bords de fuite présentant généralement une épaisseur réduite par rapport à celle de la partie centrale des aubes. Ces contraintes importantes résultent en particulier de l'effort centrifuge et des efforts aérodynamiques s'exerçant sur les aubes. Ces contraintes peuvent s'avérer préoccupantes lorsque les aubes sont susceptibles d'être soumises à des événements exceptionnels tels que l'ingestion d'oiseaux ou similaires, comme cela est le cas en particulier pour les aubes de soufflante. En effet, des chocs sur les aubes accentuent le chargement des zones de surcontraintes et augmentent ainsi le risque de rupture en pied d'aube, ainsi que le risque de propagation à travers le disque. Il existe donc un besoin d'optimisation de la conception de ces disques aubagés monoblocs ou similaires, qui donne satisfaction tant du point de vue du risque de rupture des aubes, que du point de vue aérodynamique. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a donc pour but de remédier au moins partiellement aux inconvénients mentionnés ci-dessus, relatifs aux réalisations de l'art antérieur. Pour ce faire, l'invention a tout d'abord pour objet un ensemble pour turbomachine d'aéronef comprenant un élément d'une seule pièce comportant un disque ainsi qu'une pluralité d'aubes faisant saillie du disque. Selon l'invention, au niveau d'au moins l'une des deux surfaces opposées d'au moins l'une des aubes, celle-ci présente une zone de raccordement au disque, ladite zone de raccordement comportant une première partie agencée au niveau d'une surface extérieure de délimitation de veine prévue sur le disque, et au moins une seconde partie d'extrémité agencée au niveau d'un évidement du disque prévu dans le prolongement axial de ladite surface extérieure de délimitation de veine, le rayon de raccordement moyen défini par ladite seconde partie d'extrémité étant plus élevé que celui défini par ladite première partie.

De plus, l'ensemble comporte une pièce de reconstitution de veine agencée dans la continuité aérodynamique de ladite surface extérieure de délimitation de veine, de manière à recouvrir ledit évidement. L'invention apporte ainsi une solution astucieuse, répondant au besoin d'optimisation exprimé ci-dessus. En particulier, chaque seconde partie d'extrémité présente un rayon de raccordement plus élevé, permettant de limiter la discontinuité géométrique entre le pied d'aube et le disque. Le rayon de raccordement élevé assure une diminution des contraintes dans la/les zones les plus chargées, et limite ainsi les risques de rupture des aubes. Par ailleurs, l'augmentation de ce rayon de raccordement est judicieusement accompagnée de la présence d'un évidement de disque, dans lequel ce rayon peut s'étendre, en dehors de la veine. Aussi, l'évidement étant recouvert par la pièce de reconstitution de veine spécifique à la présente invention, la solution proposée présente également des performances aérodynamiques satisfaisantes. Il est noté que la zone de raccordement décrite ci-dessus est de préférence retenue au niveau de chacune des deux surfaces opposées de l'aube, et ce, préférentiellement, pour chaque aube de l'ensemble. A cet égard, il est noté que l'élément d'une seule pièce comporte un disque entier portant les aubes, afin de former un disque aubagé monobloc. En d'autres termes, l'élément comporte un disque entier s'étendant sur 360° et portant les aubes à sa périphérie.

L'ensemble selon l'invention s'applique essentiellement à une soufflante de turbomachine d'aéronef, mais pourrait alternativement faire partie intégrante d'un compresseur ou d'une turbine de la turbomachine, sans sortir du cadre de l'invention. De préférence, le rapport entre le rayon de raccordement moyen défini par ladite seconde partie d'extrémité et celui défini par ladite première partie est compris entre 1 et 5. De préférence, ladite pièce de reconstitution de veine présente une forme annulaire pourvue, au niveau de l'une de ses extrémités, d'encoches pour le passage des aubes. De préférence, ladite pièce de reconstitution est fixée sur l'élément d'une seule pièce, de préférence sur une bride de fixation de cet élément. Cette fixation peut par exemple être réalisée simplement à l'aide de boulons ou d'éléments analogues. Selon une première réalisation, ladite zone de raccordement comporte une unique seconde partie d'extrémité, agencée au niveau d'un bord de fuite ou d'un bord d'attaque de l'aube.

Selon une seconde réalisation, ladite zone de raccordement comporte deux secondes parties d'extrémité, agencées de part et d'autre de ladite première partie, respectivement au niveau d'un bord de fuite et d'un bord d'attaque de l'aube. Dans tous les cas, chaque seconde partie d'extrémité de la zone de raccordement s'étend par exemple sur une longueur représentant environ 25 % de la longueur totale de la zone de raccordement, correspondant à la longueur de la corde.

Néanmoins, cette étendue peut être ajustée en fonction de l'étendue de la zone de sur-contrainte. L'invention a également pour objet une soufflante pour turbomachine d'aéronef comprenant au moins un ensemble tel que décrit ci-dessus.

Enfin, l'invention concerne une turbomachine d'aéronef comprenant une telle soufflante. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels ; - la figure 1 représente une vue schématique en coupe axiale d'un turboréacteur à double flux selon l'invention ; - la figure 2 représente une vue en perspective d'un ensemble selon un mode de réalisation préféré de l'invention, destiné à former une partie de la soufflante du turboréacteur montré sur la figure 1; - la figure 3 est également une vue en perspective, selon un autre angle, d'une partie de l'ensemble montré sur la figure précédente ; - la figure 4 est une vue sensiblement identique à celle de la figure 2, 2 0 avec la pièce de reconstitution de veine retirée, pour des questions de clarté ; - la figure 5 est une vue schématique en coupe d'une partie de l'ensemble montré sur les figures 2 à 4, selon un plan traversant transversalement l'une des aubes de cet ensemble ; - la figure 6 est une vue en coupe prise le long de la ligne VI-VI de la 25 figure 5 ; - la figure 7 est une vue en coupe prise le long de la ligne VII-VII de la figure 5 ; et - la figure 8 est une vue en partielle en coupe de l'ensemble montré sur les figures 2 à 7, selon un plan passant par l'axe du disque de l'ensemble.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS Comme l'illustre la figure 1 qui est une vue schématique de l'invention en coupe axiale d'un turboréacteur 10 à double flux et à double corps, ce dernier comporte, de l'amont vers l'aval selon la direction principale d'écoulement des gaz schématisée par la flèche 11, un compresseur basse pression 12, un compresseur haute pression 14, une chambre de combustion 16, une turbine haute pression 18 et une turbine basse pression 20, qui définissent une veine primaire 21 traversée par un flux primaire de gaz 22. La turbine haute pression 18 est solidaire du compresseur haute pression 14 de manière à former un corps haute pression, tandis que la turbine basse pression 20 est solidaire du compresseur basse pression 12 de manière à former un corps basse pression, de sorte que chaque turbine entraîne le compresseur associé en rotation autour d'un axe longitudinal de turboréacteur 24 sous l'effet de la poussée des gaz provenant de la chambre de combustion 16. Un carter intermédiaire 26 est habituellement interposé entre les compresseurs basse pression 12 et haute pression 14. Dans le cas des turboréacteurs à double flux, qui comprennent une soufflante 28 carénée par une nacelle 30 pour générer un flux secondaire 32 à travers une veine secondaire 31, le carter intermédiaire 26 comporte en général des aubes directrices de sortie 34 traversant cette veine 31. Ces aubes 34, assimilables à des bras, sont 2 0 également dites OGV (de l'anglais « Outlet Guide Vane »). L'invention porte plus particulièrement sur la soufflante 28, qui est réalisée essentiellement à partir d'un ensemble 40 représenté sur les figures 2 et 3. Sur ces figures, l'ensemble 40 se présente sous la forme d'un mode de réalisation préféré de l'invention, dans lequel il est cherché à réduire la zone de 25 surcontrainte au niveau du bord de fuite des pieds des aubes. L'ensemble 40 comporte tout d'abord un élément réalisé d'une seule pièce, référencé 42, connu sous la dénomination de disque aubagé monobloc. En effet, cet élément 42 comprend un disque 44 s'étendant autour de l'axe 24, le disque présentant une ou plusieurs brides de fixation 46 également intégrées dans l'élément 42.

Dans le disque aubagé monobloc, des aubes de soufflante 48 sont agencées tout autour du disque 44, en faisant saillie radialement vers l'extérieur à partir de la périphérie de ce même disque. A cet égard, il est noté que le disque 44 présente, entre les aubes 48, une surface extérieure de délimitation de veine 50 qui canalise l'air traversant la soufflante. Il s'agit d'une délimitation intérieure de cette veine, réalisée en coopération avec une pièce additionnelle rapportée sur l'élément d'une seule pièce 42, cette pièce 52 étant dite pièce de reconstitution de veine. Plus précisément, la pièce 52 est annulaire, également centrée sur l'axe 24. Elle présente une extrémité annulaire, agencée du côté du bord de fuite 48a des aubes 48, conformée pour pénétrer partiellement entre les espaces inter-aubes. Pour ce faire, cette extrémité annulaire est pourvue d'encoches 54 permettant le passage du bord d'attaque des aubes, au niveau des pieds de celles-ci. Aussi, ces encoches 54 sont pratiquées traversantes dans l'épaisseur de la pièce 52, et ouvertes dans la direction allant du bord de fuite 48a vers le bord d'attaque 48b des aubes. Par ailleurs, le fond 56 de chaque encoche reçoit l'extrémité des bords de fuite 48a, comme cela est le mieux visible sur la figure 2. A l'extrémité annulaire opposée, la pièce de délimitation de veine 52 porte des languettes de fixation 58 montées fixement par boulon 60 sur la bride de fixation aval 46.

Comme cela sera décrit plus amplement ci-après, il est noté que la pièce 52 participe donc à la délimitation de la veine entre les aubes, conjointement avec la surface extérieure 50 du disque, qui ne se prolonge donc pas jusqu'au bord de fuite 48a des aubes 48. Cette délimitation s'effectue à l'aide des parties de l'extrémité annulaire situées entre les encoches 54, tandis qu'un corps principal de la pièce 52 assure la délimitation de ladite veine en aval des bords de fuite 48a. En référence à présent aux figures 4 à 7, il est représenté l'une des particularités de la présente invention. Ici, au niveau de chacune des surfaces d'intrados et d'extrados de chaque aube 48, celle-ci présente une zone de raccordement 64 permettant le raccordement du pied de cette aube au disque 44. La zone de raccordement 64 présente tout d'abord une première partie 64a qui s'étend du bord d'attaque 48b jusqu'à proximité du bord de fuite 48a, sans atteindre ce dernier. Cette première partie 64a de la zone de raccordement assure la transition entre la surface aérodynamique de l'aube 48 et la surface extérieure de délimitation de veine 50 au niveau de laquelle se trouve cette même première partie 64a.

Comme cela est visible sur la figure 6, cette première partie 64a de la zone de raccordement définit un rayon de raccordement moyen R1 entre la surface aérodynamique de l'aube et la surface extérieure de délimitation de veine 50. Il est noté que le rayon de raccordement R1 peut être identique tout le long de la première partie 64a, ou bien évolutif le long de celle-ci. Dans ce dernier cas, le rayon moyen R1 correspond à la moyenne de l'ensemble des rayons de raccordement de cette partie 64a. En outre, la zone de raccordement 64 comprend une seconde partie d'extrémité 64b située dans la continuité axiale de la première partie 64a. Cette seconde partie s'étend jusqu'au bord de fuite 48a de l'aube. Elle est agencée au niveau d'un évidement de disque 72 situé dans le prolongement axial de la surface extérieure de délimitation de veine 50. Cet évidement 72, qui peut être réalisé avec une pente progressive depuis la surface 50, ou bien par une rupture abrupte tel que cela a été représenté sur la figure 4, permet à la seconde partie d'extrémité 64b d'assurer une transition géométrique plus douce entre la surface aérodynamique concernée de l'aube 48, et le disque 44. Aussi, la seconde partie d'extrémité 64b s'étend jusque dans le fond de l'évidement 72, et peut ainsi définir un rayon de raccordement moyen R2 supérieur au rayon R1. Ici aussi, il est noté que le rayon de raccordement R2 peut être identique tout le long de la seconde partie 64b, ou bien évolutif le long de celle-ci. Dans ce dernier cas, le rayon moyen R2 correspond à la moyenne de l'ensemble des rayons de raccordement de cette partie 64b. De plus, il est préférentiellement fait en sorte que la transition entre la première 64a et la seconde partie 64b soit progressive. En raison de la présence de l'évidement 72 recevant une portion de la seconde partie d'extrémité 64b, celle-ci peut par ailleurs présenter une longueur largement supérieure à celle de la première partie 64a située plus en amont. Il est noté que le rapport entre les rayons R2 et R1 et de préférence compris entre 1 et 5.

En augmentant la valeur du rayon R2 par rapport à celle du rayon R1, il est obtenu une limitation de la discontinuité géométrique entre le pied d'aube et le disque, limitant ainsi les contraintes subies en fonctionnement au niveau de ces zones chargées mécaniquement.

Comme cela a été schématisé sur la figure 5, la seconde partie d'extrémité 64b présente une longueur « I » correspondant par exemple à environ 25% de la longueur totale « L » de la zone de raccordement 64, correspondant à la longueur de la corde. Néanmoins, l'étendue de cette longueur « I » peut être ajustée en fonction de l'étendue de la zone de sur-contrainte. Par exemple, elle peut correspondre à 15 à 35% de la longueur totale « L » de la zone de raccordement 64. Dans ce mode de réalisation préféré, seul le bord de fuite 48a des aubes 48 est aménagé avec le principe spécifique à l'invention, pour réduire les effets de surcontrainte. Néanmoins, un principe analogue pourrait être mis en oeuvre au niveau du bord d'attaque 48b des aubes, sans sortir du cadre de l'invention. Dans ce cas de figure, la première partie 64a de la zone de raccordement 64 serait alors enserrée entre deux secondes parties d'extrémité 64b, respectivement prévues au niveau du bord de fuite et du bord d'attaque de chaque aube, avec une pièce de reconstitution de veine 52 agencée à l'extrémité amont et à l'extrémité aval du disque 44. Comme évoqué précédemment, la pièce de reconstitution de veine 52 est agencée dans la continuité aérodynamique de la surface extérieure 50, de manière à recouvrir les évidements 72 avec les parties situées entre les encoches de cette pièce 52. La pièce de reconstitution est de préférence réalisée d'un seul tenant, avec une faible épaisseur et une forte capacité de déformation de manière à contraindre le moins possible le bord de fuite 48a des aubes 48, au niveau de leur pied. La pièce 52 est par exemple réalisée en un matériau facilement déformable en comparaison au titane, par exemple en aluminium ou dans l'un de ses alliages, afin de limiter les risques de cisaillement en pied de pale dans des situations extrêmes de flexion de la pale, du type perte d'aube, ingestion d'oiseaux, etc. En revanche, le disque aubagé monobloc 42 est quant à lui de préférence réalisé en titane ou dans l'un de ses alliages.

Aussi, en recouvrant les évidements 72, la pièce recouvre également une portion de chaque seconde partie d'extrémité 64b s'étendant jusque dans le fond de l'évidement. En référence aux figures 4 et 8, la paroi latérale 74 de l'évidement 72, orientée axialement en direction de l'aval, présente une encoche 76 destinée à recevoir une languette 78 située à l'extrémité de la pièce de reconstitution de veine 52. Par cet emboitement, qui peut bien entendu être inversé en prévoyant les languettes 78 dans les évidements du disque 44, il est assuré un bon positionnement radial de la surface extérieure 50 du disque 44 par rapport à la surface extérieure de la pièce 52, entre lesquelles il est recherché une continuité aérodynamique pour la formation de la veine. De plus, pour diminuer la masse globale de l'ensemble ainsi que les contraintes au niveau des pieds d'aube, il est de préférence fait en sorte que la pièce 52 ne soit pas au contact du fond de l'évidement 72, un espace libre étant conservé entre ces deux éléments. D'ailleurs, comme cela est le mieux visible sur la figure 8, il est de préférence fait en sorte que la pièce 52 chemine sans contacter le disque 44, à l'exception de liaisons mécaniques prévues aux extrémités, d'une part par l'assemblage des languettes 78 dans les fentes 76, et d'autre part par l'assemblage des languettes 58 sur la bride de fixation 46 à l'aval. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs.25

Claims

REVENDICATIONS1. Ensemble (40) pour turbomachine d'aéronef comprenant un élément d'une seule pièce (42) comportant un disque (44) ainsi qu'une pluralité d'aubes (48) faisant saillie du disque, caractérisé en ce qu'au niveau d'au moins l'une des deux surfaces opposées d'au moins l'une des aubes (48), celle-ci présente une zone (64) de raccordement au disque, ladite zone de raccordement (64) comportant une première partie (64a) agencée au niveau d'une surface extérieure de délimitation de veine (50) prévue sur le disque (44), et au moins une seconde partie d'extrémité (64b) agencée au niveau d'un évidement (72) du disque prévu dans le prolongement axial de ladite surface extérieure de délimitation de veine (50), le rayon de raccordement moyen (R2) défini par ladite seconde partie d'extrémité (64b) étant plus élevé que celui défini par ladite première partie (64a), et en ce que l'ensemble comporte une pièce de reconstitution de veine (52) agencée dans la continuité aérodynamique de ladite surface extérieure de délimitation de veine (50), de manière à recouvrir ledit évidement (72).
2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport entre le rayon de raccordement moyen (R2) défini par ladite seconde partie d'extrémité (64b) et celui défini par ladite première partie (64a) est compris entre 1 et 5.
3. Ensemble selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que ladite pièce de reconstitution de veine (52) présente une forme annulaire pourvue, au niveau de l'une de ses extrémités, d'encoches (56) pour le passage des aubes (48).
4. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite pièce de reconstitution de veine (52) est fixée sur l'élément d'une seule pièce (42), de préférence sur une bride de fixation (46) de cet élément.
5. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite zone de raccordement (64) comporte une unique seconde partie d'extrémité (64b), agencée au niveau d'un bord de fuite ou d'un bord d'attaque de l'aube.
6. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite zone de raccordement comporte deux secondes parties d'extrémité (64b), agencées de part et d'autre de ladite première partie (64a), respectivement au niveau d'un bord de fuite et d'un bord d'attaque de l'aube.
7. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque seconde partie d'extrémité (64b) de la zone de raccordement s'étend sur une longueur représentant entre 15 et 35 % de la longueur totale de la zone de raccordement (64).
8. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit élément d'une seule pièce (42) est un disque aubagé monobloc.
9. Soufflante (28) pour turbomachine d'aéronef comprenant au moins un ensemble (40) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
10. Turbomachine d'aéronef (10) comprenant une soufflante (28) selon la revendication précédente.25