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CA 02363276 2001-11-13
PROCEDE ET INSTALLATION DE GRENAILLAGE PAR ULTRASONS DES
ALVEOLES ANNULAIRES D'ATTACHE DES AUBES SUR UN ROTOR
L'invention concerne un procédé de traitement de surface et de mise
en précontrainte de compression par grenaillage de la paroi d'au moins une
alvéole annulaire sensiblement en forme de queue d'aronde, formée à la
périphérie d'une jante de rotor, ladite alvéole annulaire débouchant à
l'extérieur par une embouchure latérale annulaire et présentant au moins
deux extrémités d'alvéole qui débouchent dans respectivement au moins une
ouverture d'introduction d'aubes.
En particulier, il est nécessaire de mettre en précontrainte de
compression la paroi d'une alvéole annulaire d'attache marteaux des aubes
sur un rotor de turbomachine pouvant contenir des pieds d'aubes dont les
lignes de contact entre l'alvéole annulaire et chaque pied d'aube sont
fortement sollicités. En effet, en fonctionnement, les aubes de turbine ou de
soufflantes bloquées dans une alvéole annulaire par différents moyens, sont
soumises à des forces centrifuges considérables entraînant une usure par
frottement importante au niveau de ces lignes de contact. Cette usure par
frottement réduit la durée de vie des pièces en exploitation et entraîne
régulièrement leur changement.
Pour augmenter la résistance en fatigue du rotor de turbine et durcir
la surface des alvéoles annulaires au voisinage des lignes de contact, il est
connu de grenailler les alvéoles annulaires au moyen de billes éjectées par
une buse à air comprimé introduite dans chaque alvéole. Les billes
provoquent une mise en compression permanente de la surface traitée sur
une faible épaisseur afin de s'opposer à l'apparition et à la progression des
fissures à la surface de la pièce.
Ces buses ne peuvent projeter que des microbilles dont le diamètre
est inférieur à lmm, et typiquement compris entre 0,3mm et 0,5mm. En
outre, la répartition des billes, tant en position qu'en vitesse, se fait
selon
une gaussienne.
Ce procédé est nécessairement long, car la surface totale de la cavité
n'est traitée que par une succession de traitements locaux qui peuvent, en
outre, introduire des déformations locales intempestives et l'incrustation de
résidus de billes.
De plus, le grenaillage effectué est faible pour ne pas générer une
rugosité trop élevée au voisinage de la zone traitée, ce qui entraîne un
durcissement de la surface limité. En effet, le diamètre des billes projetées
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étant petit, plus le grenaillage est fort, plus la dégradation de l'état de
surface est importante.
Enfin, le procédé mettant en oeuvre de nombreux paramètres est peu
contrôlable et difficilement reproductible.
Le but de l'invention est de proposer un procédé de grenaillage
d'alvéoles annulaires de rotor de turbine, qui permette de créer des
précontraintes reproductibles sur toutes les alvéoles, dans un temps plus
court, tout en permettant un grenaillage plus fort, c'est-à-dire une épaisseur
de mise en compression de la surface plus importante sans toutefois
introduire de défornlation et en limitant la dégradation de la surface
traitée.
L'invention atteint son but par le fait que le procédé de grenaillage est
réalisé par ultrasons et comporte les étapes suivantes :
a) on place une dose de billes d'un diamètre déterminé sur une
surface vibrante d'une sonotrode préalablement disposée dans une position
intermédiaire dans un fourreau entourant ladite surface vibrante, ledit
fourreau comportant des moyens d'obturation opposés susceptibles de
coulisser dans l'alvéole,
b) on place l'ouverture d'introduction en regard de ladite sonotrode,
c) on déplace sensiblement verticalement et ensemble ladite
sonotrode et ledit fourreau vers ladite ouverture d'introduction d'aubes pour
les placer dans une position de grenaillage dans laquelle les moyens
d'obturation sont en regard des extrémités d'alvéole débouchant dans ladite
ouverture,
d) on fait tourner la jante de rotor autour de son axe de rotation
disposé à l'horizontale de manière à amener les moyens d'obturation dans
une première extrémité d'alvéole de manière à former une enceinte mobile
fermée contenant les billes, et
e) on procède au grenaillage par ultrasons de l'intégralité de la paroi
en générant un brouillard de billes dans l'enceinte mobile au moyen de la
sonotrode excitée par des moyens de production d'oscillations ultrasonores
et en faisant tourner régulièrement la jante de rotor autour de son axe de
rotation jusqu'à atteindre la deuxième extrémité d'alvéole.
Le procédé permet d'obtenir une répartition homogène des positions
des billes constituant un brouillard de billes. Les billes du brouillard de
billes se déplaçant dans des directions aléatoires, elles viennent frapper les
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parois des cavités sous des angles variés, ce qui améliore l'état de surface
par rapport aux billes projetées par une buse dans une direction privilégiée.
Le procédé n'exige qu'une faible quantité de billes. On peut donc
utiliser des billes de haute qualité en terme de dureté et de géométrie, par
exemple des billes de paliers à roulement en acier ou en céramique, ce qui
permet de mieux préserver l'état de surface.
Avantageusement, après avoir positionné les moyens d'obturation
dans l'ouverture d'introduction d'aubes, on déplace sensiblement
verticalement la sonotrode, afin que la surface vibrante soit au niveau de
l'embouchure latérale de l'alvéole.
Le volume dans lequel le brouillard de billes est réparti étant
inférieur au volume obtenu lorsque la surface vibrante reste en dehors de
l'embouchure, le procédé nécessite un temps de traitement de grenaillage
plus court.
On effectue avantageusement au moins trois grenaillages successifs
de la paroi, en inversant le sens de rotation de la jante de rotor à chaque
approche d'une des extrémités de l'alvéole.
L'intégralité de la paroi de l'alvéole annulaire n'est pas soumise en
même temps aux impacts de billes, ce qui entraîne des risques de
déformation de la cavité, en particulier, de l'alvéole contenant le pied
d'aube, étant donné l'importance du diamètre de la jante par rapport à son
épaisseur. Le fait de traiter la paroi par trois traitements successifs permet
de compenser considérablement les déformations de la jante.
Bien entendu, il est aussi possible de procéder aux trois grenaillages
successifs en conservant le même sens de rotation de la jante de rotor et en
arrêtant le grenaillage lorsque les joues d'obturation et la surface vibrante
arrivent au voisinage d'une première extrémité d'embouchure, puis en
réactivant le brouillard de billes lorsque les joues d'obturation et la
surface
vibrante se trouvent hors de l'ouverture d'introduction à nouveau introduites
dans l'embouchure.
On place avantageusement, un déflecteur dans l'enceinte.
Le déflecteur peut être de géoinétrie sensiblement triangulaire avec
des côtés parallèles aux portions de parois divergentes de manière à
diminuer l'effet du grenaillage de la zone située entre ledit déflecteur et le
fond de la cavité.
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Avantageusement, après avoir grenaillé une première alvéole, on fait
tourner la partie de rotor autour de son axe de rotation, de manière à amener
les moyens d'obturation dans l'ouverture d'introduction d'aubes, on déplace
sensiblement verticalement la sonotrode et le fourreau vers la position
basse, on déplace sensiblement horizontalement l'ensemble acoustique
comprenant le fourreau et la sonotrode vers l'ouverture d'introduction d'une
seconde alvéole annulaire qui est amenée en regard de la sonotrode, et on
positionne à nouveau la sonotrode supportant la dose de billes et le fourreau
dans leur position haute de grenaillage pour grenailler ladite seconde
alvéole annulaire.
A la fin du traitement, on déplace avantageusement sensiblement
verticalement la sonotrode vers une position basse dans le fourreau, position
dans laquelle la dose de billes est apte à être chassée de la surface vibrante
vers un réservoir au travers de lumières formées dans le fourreau après le
grenaillage des alvéoles annulaires formées sur la jante de rotor.
Ainsi, la dose de billes est facilement récupérée en vue d'être, soit
réutilisée pour un traitement suivant, soit être remplacée.
Avantageusement, on utilise une dose de billes dont le diamètre est
supérieur à 0,8mm.
Les billes utilisées dans le procédé selon l'invention ont un diamètre
plus grand que le diamètre des billes susceptibles d'être projetées par une
buse, de sorte que le grenaillage peut être plus fort tout en ayant une
dégradation de la surface moins importante.
L'invention concerne également une installation pour mettre en
oeuvre le procédé.
Selon l'invention, cette installation comporte
une sonotrode susceptible de projeter des billes d'un diamètre
déterminé dans une enceinte mobile délimitée par une portion de paroi de
l'alvéole annulaire, la surface vibrante de ladite sonotrode disposée au
voisinage de l'embouchure, et un fourreau entourant la sonotrode et ayant
des moyens d'obturation susceptibles de former une enceinte mobile étanche
avec ladite portion de paroi, et ladite surface vibrante,
des moyens de production d'oscillations ultrasonores susceptibles
d'exciter ladite sonotrode,
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des premiers moyens pour déplacer sensiblement verticalement ladite
sonotrode, et des deuxièmes moyens pour déplacer sensiblement
verticalement lesdits moyens d'obturation,
un premier jeu inférieur au diamètre des billes étant ménagé entre
5 ladite sonotrode et ledit fourreau, et
un deuxième jeu inférieur au diamètre des billes étant ménagé entre
lesdits moyens d'obturation disposés dans ladite alvéole annulaire et
l'alvéole annulaire.
L'installation peut comporter une pluralité d'ensembles acoustiques
comprenant chacun une sonotrode et un fourreau, disposés autour de la jante
de rotor, lesdits ensembles acoustiques étant aptes à se déplacer selon une
direction axiale de la jante de rotor.
Avantageusement, l'installation comporte un troisième jeu inférieur
au diamètre des billes ménagé entre ladite surface vibrante disposée dans
ladite embouchure et ladite embouchure.
L'installation comporte avantageusement un quatrième jeu inférieur
au diamètre des billes ménagé entre une extrémité du fourreau et
l'embouchure, qui lorsque la surface vibrante n'obture pas l'embouchure
permet de garantir l'étanchéité de l'enceinte.
Les différents éléments de l'installation sont agencés de sorte
qu'aucune bille ne peut bloquer lesdits éléments susceptibles de se déplacer.
En outre, la sonotrode et le fourreau comprenant les moyens d'obturation,
ont une géométrie adaptée à la fonne de la cavité à traiter. En particulier,
la
surface vibrante est de fonne complémentaire à l'embouchure et les moyens
d'obturation sont formés de manière à bien assurer l'étanchéité de l'enceinte.
Avantageusement, les deuxièines moyens de déplacement sont
susceptibles de déplacer ensemble les moyens d'obturation et la sonotrode.
Les premiers moyens de déplacement et les deuxièmes moyens de
déplacement sont avantageuseinent aptes à être commandés simultanément.
Au départ du traitement, le fourreau et la sonotrode sont placés dans
une position intermédiaire dans laquelle l'espace engendré par les moyens
d'obturation dudit fourreau et la surface vibrante de ladite sonotrode
constitue un réservoir pour la dose de billes. Puis, ledit fourreau et ladite
sonotrode supportant la dose de billes sont déplacés conjointement à l'aide
d'un même déplacement. Enfin, la sonotrode et/ou les moyens d'obturation
sont susceptibles d'être déplacés individuellement, selon la géométrie de la
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cavité à traiter jusqu'à ce que respectivement la surface vibrante obture
l'embouchure de la cavité et que les moyens d'obturation obturent les
ouvertures de la cavité.
Avantageusement, l'installation comporte des moyens de support
pour supporter la jante de rotor à traiter et des moyens d'entraînement
desdits moyens de support pour faire tourner régulièrement l'alvéole
annulaire.
L'installation comprend avantageusement des moyens pour chasser la
dose de billes de la surface vibrante vers un réservoir.
Ces moyens simples, permettent de chasser la dose de bille au cours
d'un traitement si nécessaire, ou à la fin de celui-ci, soit pour rafraîchir
les
billes, soit pour les remplacer.
Avantageusement, l'installation comporte des moyens pour déplacer
sensiblement horizontalement la sonotrode et le fourreau.
Une pluralité d'alvéoles annulaires, disposées indifféremment sur une
jante de rotor et ayant les mêmes sections, peut ainsi être traitée avec une
même installation que l'on déplace de manière à positionner la sonotrode et
le fourreau en regard de l'alvéole considérée.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront 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 est une vue frontale d'une jante de rotor,
- la figure 2 est une vue frontale d'une aube de soufflante disposée
dans une cavité annulaire fonnée à la périphérie de la jante de rotor,
- la figure 3 est une vue de l'installation, le fourreau et la sonotrode
étant placés en position intermédiaire,
- la figure 4 est une coupe de l'installation selon un plan médian
perpendiculaire à l'axe de rotation de la jante de rotor, le fourreau et la
sonotrode étant placés en position haute de grenaillage,
- la figure 5 est une coupe de la figure 4 selon la ligne V-V,
- la figure 6 est une coupe du fourreau contenant la sonotrode, dans
leur position intermédiaire, et
- la figure 7 est une coupe du fourreau contenant la sonotrode dans sa
position basse.
La figure 1 montre une jante de rotor 1 comportant trois alvéoles
annulaires 2, fonnées à la périphérie de la jante de rotor 1 et réparties sur
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différents diamètres de ladite jante de rotor 1. Ces alvéoles annulaires 2
sont
sensiblement en forme de queue d'aronde et présentent une embouchure 2A
de forme sensiblement annulaire.
Afin de permettre le montage des pieds 4, sensiblement en forme de
queue d'aronde, des aubes de soufflante 6 dans l'alvéole 2, ladite l'alvéole 2
présente une ouverture d'introduction 5 d'aube visible sur la figure 3.
Chaque pied d'aube 4 est monté successivement par coulissement
dans l'ouverture d'introduction 5. Un ou plusieurs dispositif de fixation
d'aubes (non représenté) permet de bloquer les aubes 6.
La figure 2 montre que l'appui entre les parois de la l'alvéole 2 et le
pied d'aube 4 se traduit par deux lignes de contact 2B.
Le but de l'invention est de proposer un procédé et une installation
pour mettre en précontrainte de compression la paroi 2C de chaque alvéole
2 et en particulier les zones des deux lignes de contact 2B, de manière à
augmenter la résistance à l'usure de ces lignes de contact 2B provoquée par
le frottement entre le pied d'aube 4 et la paroi de l'alvéole 2 et ainsi
augmenter la résistance à la fatigue de la jante de rotor 1.
La figure 3 montre un exemple d'installation utilisée pour la mise en
oeuvre du procédé et dans laquelle un seul ensemble acoustique est utilisé,
ledit ensemble acoustique positionné en-dessous de la jante de rotor 1 étant
susceptible de se déplacer verticalement et horizontalement.
La jante de rotor 1 est maintenue par un mandrin 7 qui peut entraîner
ladite jante de rotor 1 en rotation autour de son axe de rotation lA, disposé
à
l'horizontale.
Une sonotrode 8, dont la surface vibrante 8A est placée dans une
position intermédiaire dans un fourreau 16,est montée mobile sous la jante
de rotor 1. Une dose de billes est placée au-dessus de la surface vibrante 8a.
L'ensemble acoustique comprenant la sonotrode 8 et le fourreau 16 est
déplacé horizontalement jusqu'à ce que la surface vibrante 8A de la
sonotrode 8 soit en regard de l'alvéole 2 à traiter.
On fait tourner la jante de rotor 1 autour de son axe lA de manière à
placer ouverture d'introduction 5 en regard de la surface vibrante 8A.
Puis, la sonotrode 8 et le fourreau 16 sont déplacés verticalement
vers leur position haute de grenaillage et on fait tourner la jante de rotor
pour amener la surface vibrante 8A au voisinage d'une première extrémité
d'alvéole, 5A par exemple, afin que des joues d'obturation 14A et 14B
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formées sur le fourreau 16 se placent dans l'alvéole 2 de manière à former
une enceinte mobile fermée 12.
Comme indiqué sur la figure 4, ladite enceinte mobile 12 est
délimitée par la portion de paroi 2'C, la surface vibrante 8A qui obture la
portion d'embouchure 2A, les joues d'obturation 14A et 14B et le fourreau
16.
L'écartement LI entre les deux joues d'obturation 14A et 14B est
sensiblement égal à l'étendue circonférentielle L2 de l'ouverture
d'introduction 5.
Des billes 10 d'un diamètre compris entre 0,8mm et 5mm,
préférentiellement égal à 1 mm, sont projetées par la surface vibrante 8A,
orientée vers le haut, de la sonotrode 8 dans l'enceinte 12.
La figure 5 montre que la surface vibrante 8A est excitée par un
générateur de vibrations 18, par exemple à quartz, afin de créer un
brouillard de billes 10 dans l'enceinte 12. Un déflecteur 15 qui est porté par
les joues d'obturation 14A et 14B peut être placé dans le brouillard de billes
10 afin d'atténuer l'effet du grenaillage du fond de l'alvéole et augmenter le
grenaillage des flancs internes de l'embouchure 21. Ledit déflecteur 15 est
triangulaire avec des côtés sensiblement parallèles aux portions de paroi 2'C
et au fond de l'alvéole.
Le jeu el ménagé entre la sonotrode 8 et le fourreau 16 est inférieur
au diamètre des billes 10, de sorte qu'aucune bille 10 ne peut passer entre la
surface vibrante 8A et ledit fourreau 16.
Les joues d'obturation 14A et 14B en forme en queue d'aronde ont
des sections axiales sensiblement compléinentaires à celles de l'alvéole 2, de
sorte qu'en position haute de grenaillage, le jeu e2 ménagé entre chaque
joue d'obturation 14A, 14B, et la portion de paroi 2'C à grenailler est
inférieur au diamètre des billes 10. Ainsi, aucune bille 10 ne peut s'échapper
hors de l'enceinte 12.
De même, lorsque la surface vibrante 8A obture l'embouchure 2A en
position haute de grenaillage, un troisième jeu e3, ménagé entre la surface
vibrante 8A de la sonotrode 8 et l'embouchure 2A, est inférieur au diamètre
des billes 10 de sorte qu'aucune bille 10 ne peut sortir hors de l'enceinte
12.
Si la surface vibrante 8A n'obture pas l'embouchure, un quatrième jeu e4
compris entre une extrémité 16A du fourreau 16 et l'embouchure 2A permet
d'assurer l'étanchéité de l'enceinte 12.
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Une première glissière 20 permet d'effectuer les déplacements
verticaux de la sonotrode 8 en faisant coulisser ladite sonotrode 8 dans le
fourreau 16. Une deuxième glissière 22, portée par un bâti 24, permet quant
à elle de déplacer verticalement à la fois la sonotrode 8 et le fourreau 16.
Des moyens de commande (non représentés) permettent de commander
ladite première glissière 20 et ladite seconde glissière 22. Des moyens (non
représentés), par exemple des rails, permettent de déplacer l'ensemble
acoustique comprenant la sonotrode 8 et le fourreau 16 horizontalement, de
manière à la positionner en regard d'une alvéole à traiter.
La première glissière 20 peut être portée soit par la deuxième
glissière 22, comme indiqué sur la figure 5, soit par le bâti 24, auquel cas
la
commande des deux glissières 20 et 22 doit être synchronisée pour monter
ensemble la sonotrode 8 et le fourreau 16 vers la position haute de
grenaillage.
Avant de débuter l'opération de traitement d'une alvéole axiale 2, la
sonotrode 8 est placée dans une position intermédiaire dans le fourreau 16,
position dans laquelle l'espace délimité par le fourreau 16 et la surface
vibrante 8A, constitue un récipient 26 qui permet de contenir la dose de
billes 10 qui est déposée sur la surface vibrante 8A, comme représenté sur la
figure 6.
Après avoir fixé la jante de rotor 1 par des moyens de maintien
comprenant le mandrin 7, on déplace la sonotrode 8 et le fourreau 16 au
voisinage d'une preinière alvéole 2 à traiter et on amène l'ouverture
d'introduction 5 de ladite première alvéole 2 en regard de la sonotrode 8, en
faisant tourner la jante de rotor 1 autour de son axe de rotation lA à l'aide
de moyens d'entraînement (non représentés). Les moyens d'entraînement
comportent par exemple un moteur.
On déplace la sonotrode 8 et le fourreau 16 vers leur position haute
de grenaillage en déplaçant simultanément, à l'aide de la glissière 22, les
joues d'obturation 14A et 14B et la surface vibrante 8A dans l'ouverture
d'introduction 5, puis on fait tourner la jante de rotor 1 jusqu'à ce que les
deux joues 14A et 14B soient dans l'extrémité 5A par exemple. Dès lors, on
procède au grenaillage de la portion de paroi 2'C de la première alvéole 2 en
actionnant le générateur de vibrations 18 qui génère un brouillard de billes
10 dans l'enceinte mobile étanche 12 et on fait tourner régulièrement la jante
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de rotor 1 autour de son axe de rotation 1 A de manière à grenailler
l'intégralité de la paroi 2C.
Lorsque la première joue 14A arrive au voisinage de l'extrémité 5B
d'embouchure 2A, on inverse le sens de rotation de la jante de rotor 1 et on
5 poursuit le grenaillage de la portion de paroi 2'C jusqu'à l'autre extrémité
5A
d'embouchure 2A. On réitère encore une fois le processus jusqu'à atteindre à
nouveau l'extrémité 5B. Il est bien entendu que le procédé peut comporter
plus de trois passages de grenaillage tel que précités.
Dès que le grenaillage de la première alvéole 2 est terminé, on fait
10 tourner la jante de rotor 1, afin que les joues d'obturation 14A, 14B se
placent dans une ouverture 5 d'introduction d'aubes, on dégage la sonotrode
8 et les joues d'obturation 14A et 14B hors de l'ouverture d'introduction 5,
puis on déplace horizontalement l'ensemble acoustique comprenant la
sonotrode 8 et le fourreau en regard d'une deuxième alvéole 2, on
recommence le traitement selon le procédé précité et ainsi de suite jusqu'à
ce que le traitement de l'ensemble des alvéoles axiales 2 forrnées sur la
jante
de rotor 1 soit terminé.
A la fin du traitement, la sonotrode 8 est retirée vers sa position
basse, représentée figure 7, dans laquelle on procède au dégagement de la
dose de billes 10. Les billes 10 sont par exemple soufflées de la surface 8A
à l'aide d'une soufflette 28 au travers de lumières 30 formées dans le
fourreau 16 et récupérées dans un réservoir 32. Lesdites billes 10 peuvent
ensuite être rafraîchies ou bien remplacées en vue d'un traitement ultérieur.
