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FR3031136B1 - Rotor de turbomachine a surfaces d'appui optimisees - Google Patents

Rotor de turbomachine a surfaces d'appui optimisees Download PDF

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FR3031136B1
FR3031136B1 FR1463350A FR1463350A FR3031136B1 FR 3031136 B1 FR3031136 B1 FR 3031136B1 FR 1463350 A FR1463350 A FR 1463350A FR 1463350 A FR1463350 A FR 1463350A FR 3031136 B1 FR3031136 B1 FR 3031136B1
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Jean-Philippe Beaujard Antoine
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Safran Aircraft Engines SAS
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Abstract

L'invention concerne un rotor (10) de turbomachine comportant un disque (12) et au moins une aube (14) dont le pied (16) comporte un bulbe (18) logé dans une rainure (20) associée du disque (12), caractérisé en ce que le bulbe (18) comporte une gorge (36) qui est débouchante radialement vers l'intérieur au niveau de sa face inférieure (32), et en ce que le rotor (10) comporte une pièce de maintien (42) s'étendant en partie dans la rainure (20) en faisant saillie radialement vers l'extérieur par rapport à une face de fond (22) de la rainure (20), dont une extrémité radiale externe (44) de la pièce de maintien (42) est reçue dans la gorge (36) du bulbe (18) et est en appui radialement vers l'intérieur contre la paroi interne de la gorge (36) du bulbe (18).

Description

ROTOR DE TURBOMACHINE A SURFACES D'APPUI OPTIMISEES
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un rotor de turbomachine comportant un disque de rotor et au moins une aube, par exemple pour une turbomachine d'aéronef, qui est réalisé de manière à limiter les contraintes de pressions sur le pied de l'aube.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Selon un mode de réalisation connu, une aube de turbomachine est reliée au disque de rotor au niveau de son pied radialement interne, qui comporte une portion en forme de bulbe qui est reçu dans une rainure associée formée dans la périphérie du disque de rotor.
Le disque comporte une succession de dents de retenue des aubes qui délimitent les rainures adjacentes.
La coopération du bulbe avec la rainure permet de maintenir l'aube solidaire du disque, malgré les efforts produits par l'action centrifuge, lorsque la vitesse de rotation du rotor est importante.
Le bulbe est soumis à des contraintes de compression situées au niveau des faces d'appui en vis-à-vis entre la rainure et le bulbe, des contraintes de cisaillement produites de chaque côté du bulbe, en conséquence des forces d'appui entre la rainure et le bulbe, et des contraintes de traction situées au niveau de la liaison du bulbe avec le reste du pied de l'aube.
Pour améliorer le rendement de la turbomachine, il a été proposé de réaliser les aubes de turbine haute ou basse pression en Composite à Matrice Céramique (CMC). De telles aubes présentent l'avantage d'une masse réduite et d'une meilleure résistance aux hautes températures des gaz de combustion circulant au travers de la turbine, qui viennent en contact avec les aubes.
De plus, l'aube réalisée en Composite à Matrice Céramique est montée sur un disque de rotor métallique. Ces deux matériaux possèdent des coefficients de dilatation différents, ce qui peut par conséquent générer des contraintes supplémentaires sur l'aube, ou bien des jeux internes, du fait des dilatations différentes des composants, au fur et à mesure des variations de température dans la turbomachine.
Pour que l'aube puisse résister à ces contraintes, les dimensions latérales du bulbe sont relativement importantes. Les dimensions latérales de la rainure associée sont en conséquence elles aussi importantes, ce qui limite la quantité de matière disponible pour la tenue mécanique des dents du disque. L'invention a pour but de proposer un rotor de turbomachine comportant un disque et au moins une aube qui est réalisé de manière que le bulbe de l'aube puisse supporter l'ensemble des contraintes auxquelles il est soumis, tout en conservant une résistance suffisante des dents du disque.
EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention propose un rotor de turbomachine comportant un disque et au moins une aube dont le pied de l'aube comporte un bulbe logé dans une rainure associée du disque, la rainure comportant une face radiaiement intérieure de fond et deux faces en surplomb de la face de fond, qui sont inclinées par rapport à un plan médian de la rainure, le bulbe comportant deux faces supérieures radiaiement externes situées en vis-à-vis des faces en surplomb de la rainure, qui sont inclinées par rapport au plan principal du bulbe et qui sont en appui radiaiement vers l'extérieur contre lesdites faces en surplomb, et comportant une face inférieure située radiaiement en vis-à-vis et à distance de la face de fond de la rainure, caractérisé en ce que le bulbe comporte une gorge qui est débouchante radiaiement vers l'intérieur au niveau de la face inférieure du bulbe, et en ce que le rotor comporte une pièce de maintien s'étendant en partie dans la rainure en faisant saillie radiaiement vers l'extérieur par rapport à la face de fond de la rainure, dont une extrémité radiale externe de la pièce de maintien est reçue dans la gorge du bulbe et est en appui radialement vers l'intérieur contre la paroi interne de la gorge du bulbe. L'appui radial de la pièce de maintien contre la paroi interne de la gorge permet d'augmenter la surface d'appui du bulbe, sans avoir à augmenter les dimensions latérales de celui-ci. Aussi, un tel agencement permet de réduire les dimensions et la masse du bulbe.
De préférence, la gorge du bulbe comporte une face de fond parallèle et située à distance de la face inférieure du bulbe et deux faces inclinées qui sont inclinées par rapport au plan principal médian de la rainure et qui s'étendent depuis les extrémités de la face de fond de la gorge jusqu'à la face inférieure du bulbe.
De préférence, l'extrémité radiale externe de la pièce de maintien comporte des faces d'appui situées en vis-à-vis des faces inclinées de la gorge du bulbe, qui sont en appui radialement vers l'intérieur contre lesdites faces inclinées.
De préférence, le disque comporte une gorge qui est débouchante radialement vers l'extérieur au niveau de la face de fond de la rainure, dans laquelle une extrémité radiale interne de la pièce de maintien est reçue et est en appui radialement vers l'extérieur contre la paroi interne de ladite gorge.
De préférence, la gorge formée dans le disque comporte une face de fond parallèle et située à distance de la face de fond de la rainure et deux faces inclinées qui sont inclinées par rapport au plan principal médian de la rainure et qui s'étendent depuis les extrémités de la face de fond de la gorge jusqu'à la face de fond de la rainure.
De préférence, l'extrémité radiale interne de la pièce de maintien comporte des faces d'appui situées en vis-à-vis des faces inclinées de la gorge formée dans le disque, qui sont en appui radialement vers l'intérieur contre lesdites faces inclinées de la gorge.
De préférence, le rotor comporte des moyens de réglage de la position radiale de la pièce de maintien par rapport au disque.
De préférence, le rotor comporte au moins un élément de rattrapage de jeu radial agencé entre la pièce de maintien et une face en vis-à-vis de la gorge formée dans le disque. L'invention concerne aussi une turbomachine d'aéronef comportant un rotor selon l'invention muni d'au moins un disque portant des aubes reliées au disque.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera à la figure unique qui est une section d'un disque et d'une aube de rotor assemblés selon l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
On a représenté à la figure unique un rotor 10 de turbomachine d'aéronef, notamment pour la turbine basse pression ou la turbine haute pression de la turbomachine.
Le rotor 10 comporte un disque de rotor 12, qui consiste en un élément de révolution, et une pluralité d'aubes 14 réparties sur la circonférence du disque de rotor 12. Ici, une seule aube 14 a été représentée partiellement, il sera compris que la description qui va suivre s'applique de manière identique pour toutes les autres aubes. L'aube 14 est d'orientation principale radiale par rapport à l'axe principal du rotor qui est aussi l'axe principal du disque 12. L'aube comporte une extrémité radiale interne 16 communément appelée "pied", au niveau de laquelle l'aube 14 est montée sur le disque 12.
Le pied 16 de l'aube 14 comporte une portion de liaison appelée bulbe 18, qui est apte à être reçue dans une rainure associée 20 formée à la périphérie du disque 12.
La rainure 20 et le bulbe 18 sont de formes similaires et le bulbe 18 est en appui radialement vers l'extérieur contre la rainure 20 pour le maintien en position radialement de l'aube 14 sur le disque 12.
La rainure 20 est délimitée par une face radiaiement intérieure de fond 22 et deux faces 24 en surplomb de la face de fond 22, qui sont inclinées par rapport à un plan médian de la rainure. Les faces en surplomb 24 s'étendent globalement depuis les extrémités de la face de fond 22 jusqu'à l'ouverture radiale externe 26 de la rainure située sur le bord périphérique du disque 12.
Puisque le disque de rotor 12 est destiné à porter plusieurs aubes 14, il comporte plusieurs rainures 20 identiques réparties sur toute sa périphérie. Deux rainures 20 adjacentes sont ainsi séparées l'une de l'autre par une portion du disque 12 appelée dent 28.
Le bulbe 18 comporte deux faces supérieures 30 radiaiement externes qui sont inclinées par rapport au plan principal médian de la rainure 20 du même angle que les faces en surplomb 24 de la rainure 20, c'est-à-dire qu'elles sont parallèles aux faces en surplomb 24 de la rainure 20. Les faces supérieures 30 du bulbe 18 sont situées en vis-à-vis des faces en surplomb 24 de la rainure 20 et sont en appui radiaiement vers l'extérieur contre les faces en surplomb 24 de la rainure 20.
Le bulbe 18 comporte aussi une face inférieure 32 qui est située radiaiement en vis-à-vis et à distance de la face de fond 22 de la rainure 20.
Le bulbe 18 est raccordé au reste de l'aube 14 à son extrémité supérieure 34 qui est de section réduite.
Lors de la rotation du disque, lorsque la turbomachine est en fonctionnement, les forces centrifuges qui s'exercent sur l'aube 14 ont pour conséquence des contraintes subies par le bulbe 18 qui sont une contrainte de traction orientée radiaiement, qui est la plus importante au niveau de l'extrémité supérieure 34 du bulbe 18 (ligne A); une contrainte de compression située au niveau des faces d'appui en vis-à-vis 24, 30 du bulbe 18 et de la rainure 20 (lignes B) ; et une contrainte de cisaillement radial au niveau de l'extrémité de la surface d'appui B la plus proche du plan principal médian de la rainure 20 (lignes C).
Le rotor 10 comporte aussi une gorge 36 réalisée dans le bulbe 18, qui est débouchante radiaiement vers l'intérieur au niveau de la face inférieure 32 du bulbe 18. Cette gorge 36 est délimitée par une face de fond 38 qui est parallèle et est décalée radialement vers l'extérieur par rapport à la face inférieure 32 du bulbe 18, et par deux faces inclinées 40 par rapport au plan principal médian de la gorge 36 qui s'étendent depuis les extrémités de la face de fond 38 jusqu'à la face inférieure du bulbe 18.
Le rotor 10 comporte aussi une pièce de maintien 42 qui est reliée au disque 12 et qui s'étend radialement en saillie vers l'extérieur par rapport à la face de fond 22 de la rainure 20, et dont l'extrémité radiale externe 44 de la pièce de maintien 42 est reçue à l'intérieur de la gorge 36. L'extrémité externe 44 de la pièce de maintien 42 est de forme similaire à celle de la forme de la gorge 36 et comporte par conséquent une face d'extrémité radiale externe 46 qui est parallèle et est située radialement à distance de la face de fond 38 de la gorge 36 et deux faces inclinées 48 qui sont parallèles et en appui contre les faces inclinées de la gorge 36.
Par conséquent, le bulbe 18 est aussi en appui radialement vers l'extérieur contre l'extrémité externe 44 de la pièce de maintien 42. Cet appui supplémentaire permet de réduire les contraintes de compression au niveau des faces d'appui en vis-à-vis 24, 30 du bulbe 18 et de la rainure 20 puisque la surface globale d'appui du bulbe est augmentée par la présence des faces d'appui en vis-à-vis 40, 48 de la gorge 36 et de l'extrémité externe 44 de la pièce de maintien 42.
Ici, la pièce de maintien 42 est ici un élément rapporté sur le disque 12. Selon une variante de réalisation, la pièce de maintien est réalisée d'une seule pièce avec le disque 12, et elle est formée simultanément à l'usinage de la rainure 20.
La pièce de maintien 42 est reliée au disque 12 par son extrémité radialement interne 50 qui est reçue dans une gorge associée 52 formée dans le disque 12. Cette gorge 52 est débouchante radialement dans la face de fond 22 de la rainure 20, et comporte une face de fond 54 parallèle à la face de fond 22 de la rainure 20 et deux face d'appui 56 situées en surplomb de la face de fond 54. L'extrémité radiale interne 50 de la pièce de maintien 42 est en forme de bulbe et comporte deux faces inclinées d'appui 58 qui sont parallèles et en appui contre les faces d'appui 56 de la gorge 52 et une face d'extrémité radiale interne 60 qui est située en vis-à-vis et à distance de la face de fond 54 de la gorge 52.
Les deux extrémités radiales 44, 50 de la pièce de maintien 42 sont reliées par une portion radiale 62 de largeur, selon le plan de la figure, réduite.
Le rotor 10 comporte en outre une cale de réglage 64 des jeux entre l'extrémité radiale interne 50 de la pièce de maintien et la gorge 52
Les faces d'appui 40, 48 de la pièce de maintien 42 avec la gorge 36 du bulbe 18 sont situées entre les faces d'appui en vis-à-vis 24, 30 du bulbe 18 et de la rainure 20, et sont en outre situées sensiblement à la même position radiale que les faces d'appui en vis-à-vis 24, 30 du bulbe 18 et de la rainure 20.
Une telle disposition des diverses faces d'appui permet de conserver un bulbe 18 de dimensions conventionnelles, notamment lorsque l'aube 14 est réalisée en matériau CMC (Composite à Matrice Céramique), pour lequel l'épaisseur d'infiltration du matériau est limitée. En effet, le pied 16 de l'aube 14 ne comporte aucune surépaisseur excessive. Ainsi, la réalisation de ce pied 16 est moins difficile, notamment dans le cas d'une aube en Composite à Matrice Céramique. Il sera compris que l'invention ne s'applique pas uniquement une aube réalisée en matériau Composite à Matrice Céramique et que l'aube 14 peut aussi être réalisée en un alliage à base de nickel ou bien consister en une aube monocristalline.
Le bulbe 18 et la rainure 20 du disque s'étendent tous les deux axialement sur toute la longueur axiale du disque 12. La totalité des composants du rotor 10, à savoir les gorges 36, 52, la pièce de maintien 42 et la cale de réglage 64 s'étendent eux aussi sur toute la longueur axiale du disque 12 et ils présentent aussi de préférence une symétrie par rapport au plan principal médian de la rainure 20.
Les différentes faces d'appui du rotor 10 sont situées sensiblement à une même position radiale par rapport à l'axe principal du disque 12. A cette position radiale, les différents composants sont sensiblement à une même température. Par conséquent, il n'y a pas ou peu de dilatation différentielle pour chacun de ces différents composants, en comparaison à un type de liaison antérieur, tel que par exemple une attache de type sapin qui est plus étendue radialement.
Le rotor 10 comporte en outre des moyens (non représentés) pour le blocage axial de ces composants en position par rapport au disque 12.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS
    1, Rotor (10) de turbomachine comportant un disque (12) et au moins une aube (14) dont le pied (16) de l'aube (14) comporte un bulbe (18) logé dans une rainure (20) associée du disque (12), la rainure (20) comportant une face radîalement intérieure de fond (22) et deux faces (24) en surplomb de la face de fond (22), qui sont inclinées par rapport à un plan médian de la rainure (20), le bulbe (18) comportant deux faces supérieures (30) radialement externes situées en vis-à-vis des faces en surplomb (24) de la rainure (20), qui sont inclinées par rapport au plan principal du bulbe (18) et qui sont en appui radialement vers l’extérieur contre lesdites faces en surplomb (24), et comportant une face inférieure (32) située radialement en vis-à-vis et à distance de la face de fond (22) de la rainure (20), caractérisé en ce que le bulbe (18) comporte une gorge (36) qui est débouchante radialement vers l’intérieur au niveau de la face inférieure (32) du bulbe (18), et le rotor (10) comporte une pièce de maintien (42) s'étendant en partie dans la rainure (20) en faisant saillie radialement vers l'extérieur par rapport à la face de fond (22) de la rainure (20), dont une extrémité radiale externe (44) de la pièce de maintien (42) est reçue dans la gorge (36) du bulbe (18) et est en appui radialement vers l'intérieur contre la paroi interne de la gorge (36) du bulbe (18), et en ce que la gorge (36) du bulbe (18) et la pièce de maintien (42) sont orientées principalement parallèlement à la direction axiale de la rainure (20) du disque (12).
  2. 2, Rotor (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la gorge (36) du bulbe (18) comporte une face de fond (38) parallèle et située à distance de la face inférieureT(32) du bulbe (18) et deux faces inclinées (40) qui sont inclinées par rapport au pian principal médian de la rainure (20) et qui s’étendent depuis les extrémités de la face de fond (38) de la gorge jusqu'à la face inférieure (32) du bulbe (18).
  3. 3. Rotor {10} selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'extrémité radiale externe (44) de la pièce de maintien {42} comporte des faces d'appui (48) situées en vis-à-vis des faces inclinées (40) de la gorge (36) du bulbe (18), qui sont en appui radiaiement vers l'intérieur contre lesdites faces inclinées (40).
  4. 4. Rotor {10} selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le disque (12) comporte une gorge (52) qui est débouchante radiaiement vers l'extérieur au niveau de la face de fond {22} de la rainure (20), dans laquelle une extrémité radiale interne (50) de la pièce de maintien (42} est reçue et est en appui radiaiement vers l'extérieur contre la paroi interne de ladite gorge (52),
  5. 5. Rotor (10) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la gorge (52) formée dans le disque (12) comporte une face de fond (54) parallèle et située à distance de la face de fond (22) de la rainure {20} et deux faces inclinées (56) qui sont inclinées par rapport au plan principal médian de la rainure (20) et qui s'étendent depuis les extrémités de la face de fond (54) de la gorge (52) jusqu'à la face de fond (22) de la rainure (20).
  6. 6. Rotor (10) selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en cg que l'extrémité radiale interne (50) de la pièce de maintien (42} comporte des faces d’appui (58) situées en vis-à-vis des faces inclinées (56) de la gorge (52) formée dans le disque (12), qui sont en appui radiaiement vers l'intérieur contre lesdites faces inclinées (56) de la gorge (52).
  7. 7. Rotor (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (64) de réglage de la position radiale de la pièce de maintien (42) par rapport au disque (12).
  8. 8. Rotor (10) selon la revendication 7, caractérisé en ce qu’il comporte au moins un élément (64) de rattrapage de jeu radial agencé entre la pièce de maintien (42) et une face (54) en vis-à-vis de la gorge formée dans le disque (12).
  9. 9. Turbomachine d'aéronef comportant un rotor (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes muni d'au moins un disque (12) portant des aubes (14) reliées au disque (12),
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