Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02557109 2006-08-23
1
Ensemble et procédé pour le montage du pied d'une aube
de turbomachine, soufflante, compresseur
et turbomachine comportant un tel ensemble.
L'invention concerne un procédé de montage du pied d'une aube de
turbomachine en métal, fixe ou mobile, dans l'alvéole d'un support en
métal et l'ensemble pour un tel montage.
Classiquement, on prévoit de traiter la surface des pieds des aubes
de soufflante en métal, en particulier en titane. En effet, le contact entre
la portée du pied de l'aube et le flanc de l'alvéole (ou saignée) du disque
de soufflante qui reçoit ces pieds est soumis à de multiples efforts qui
peuvent entraîner un endommagement de ces parties, voire une rupture
prématurée des pièces en contact.
La présente invention n'est pas limitée au cas où le support du pied
de l'aube est constitué par un disque de rotor de soufflante, il englobe
également d'autres situations de montage d'aubes mobiles, par exemple
sur le disque de rotor du compresseur basse pression, voire dans la zone
d'entrée du compresseur haute pression.
Également, la présente invention s'applique au cas où le support est
un carter ou un flasque supportant des aubes fixes.
Dans les zones de contact entre le pied des aubes et l'alvéole logeant
ce pied s'exercent plusieurs types de contraintes.
On rencontre notamment le «fretting », c'est-à-dire l'usure de
contact, qui est la conséquence du frottement répétitif d'une pièce sur une
autre, les forces de friction résultantes engendrant un endommagement
de la matière par différents processus de fatigue. Ce phénomène est
particulièrement sensible dans le cas du contact entre deux pièces en
titane.
Ces zones sont donc soumises à une importante tendance à
l'endommagement du matériau, ainsi qu'à une usure des portées du pied
d'aube qui sont les zones en contact avec la paroi de l'alvéole, voire une
déformation de ces zones de contact.
De plus, le niveau des contraintes locales est très élevé du fait du
coefficient de frottement à l'interface entre les parois en contact du pied
de l'aube et de l'alvéole, formée d'un contact métal/métal.
CA 02557109 2006-08-23
2
Pour résoudre ces problèmes, on recherche notamment à renforcer
la résistance à l'usure des surfaces en contact et à diminuer le coefficient
de frottement.
Pour ce faire, on réalise généralement le dépôt d'un revêtement de
surface en un alliage métallique résistant au fretting sur le pied de l'aube,
notamment par projection plasma, ou bien on utilise une pièce de
protection formée d'un ou de plusieurs clinquants métalliques
éventuellement elle-même revêtue, chaussant le pied de l'aube, ces
éléments de protection pouvant être associés à des vernis lubrifiants.
Avec ce type de solution, on parvient à diminuer le coefficient de
frottement jusqu'à une valeur généralement supérieure à 0,2 ; mais
pendant le fonctionnement, cette valeur augmente régulièrement jusqu'à
environ 0,5, voire au-delà si l'usure est complète.
Par exemple, le document US 5 160 243 propose de recourir à un
montage avec un clinquant métallique entre une aube et un disque tous
les deux en titane.
De tels procédés permettent d'améliorer la tenue au fretting et à
l'usure. Par contre, la mise en oeuvre de ces solutions est relativement
lourde autant lors du montage initial, que lors d'une réparation localisée.
En effet, dans les deux cas, il est nécessaire de traiter toute la surface de
la portée du pied de l'aube, ce qui entraîne des opérations longues et
coûteuses. De plus, lorsqu'il s'agit de refaire un revêtement, il est
nécessaire de mettre en oeuvre un procédé long, complexe et relativement
agressif (utilisation d'acide et/ou décapage mécanique) qui peut atteindre
le matériau constitutif de la surface du substrat, ce dernier pouvant être
endommagé notamment par une modification des côtes.
Un but de l'invention est de fournir un autre procédé de montage
d'une aube de turbomachine fixe ou mobile, en métal, dans l'alvéole d'un
support en métal, afin d'améliorer encore la tenue à la pression de contact
entre ces pièces, tout en permettant une mise en oeuvre très facile et
rapide de ce procédé, tant lors du montage initial que pour une réparation
du montage du pied de l'aube.
Ce but de l'invention est atteint conformément à l'invention par un
procédé de montage du pied d'une aube de turbomachine en métal fixe
ou mobile dans l'alvéole d'un support en métal, caractérisé en ce qu'il
comprend les étapes suivantes
CA 02557109 2006-08-23
3
a) on dispose, entre le pied et l'alvéole, au moins un film non métallique
revêtu ou imprégné d'une colle polymère ; et
b) on fait prendre la colle de sorte que le film adhère au pied de l'aube
et/ou à la surface de l'alvéole.
Dans ce cas, on comprend que le film remplace le revêtement
métallique anti usure de l'art antérieur.
En effet, il a été constaté que l'utilisation d'un tel film non métallique
choisi pour ses propriétés «anti usure», placé entre deux pièces
métalliques, par exemple directement sur le pied de l'aube et venant donc
en contact avec la surface de l'alvéole du support, permet de diminuer le
coefficient de frottement dans les zones de contact et donc de réduire très
significativement l'usure du montage du pied de l'aube, donc d'augmenter
la durée de vie de cette liaison, sans nuire à sa tenue mécanique, avant
qu'il soit nécessaire d'avoir à recourir à une réparation.
Ce type de film est déjà utilisé pour le montage des pieds d'aubes
réalisés en matériau composite en utilisant un film de type tissu de fibres
résistantes imprégnées de résine.
Toutefois, conformément à l'invention, on propose maintenant ce
type de solution pour des pieds d'aube métalliques, notamment en titane,
avec des résultats tout à fait satisfaisants.
Bien entendu, l'utilisation d'un tel film non métallique dans le
montage entre les alvéoles et les pieds d'aube n'est possible que dans des
zones dites froides d'une turbomachine.
En outre, il convient de remarquer que la pose d'un tel film est
remarquablement plus simple que le dépôt d'un revêtement métallique qui
est réalisé par exemple par la technique de dépôt plasma.
Au surplus, lorsqu'il s'agit de réparer la surface d'usure du pied de
l'aube, le retrait, partiel ou total, du film s'effectue d'une façon tout à
fait
aisée, par simple pelage à l'aide d'un scalpel. L'application et la fixation
du
nouveau film de remplacement étant, elles aussi, réalisées beaucoup plus
aisément et plus rapidement que pour un revêtement métallique, sans
aucun matériel technologiquement complexe et sans risque
d'endommager le support.
Ainsi donc, le procédé conforme à l'invention est tout à la fois
utilisable lors du montage initial mais également pour la réalisation d'une
réparation du montage entre le pied d'une aube et son alvéole que ce
CA 02557109 2006-08-23
. 4
montage ait initialement été réalisé conformément à l'invention ou bien en
ayant recours à un revêtement métallique anti usure.
Avantageusement, le film est pré encollé, en surface ou en masse.
De préférence, la colle est thermo polymérisable et au cours de
l'étape b) on place l'ensemble comprenant au moins le pied de l'aube, le
support et le film dans un autoclave porté à une température permettant
la prise de la colle, pendant une durée minimale prédéterminée.
Selon une variante de réalisation du procédé selon l'invention,
pendant l'étape a) le pied de l'aube est revêtu d'un clinquant métallique,
ledit film anti usure non métallique étant alors disposé entre le cliquant et
l'alvéole.
L'invention concerne aussi un ensemble pour le montage du pied
d'une aube fixe ou mobile de turbomachine en métal dans l'alvéole d'un
support en métal, qui soit fiable, simple et économique à mettre en oeuvre
et à réparer.
Ce but est atteint par le fait que cet ensemble comprend, entre le
pied et l'alvéole, au moins un film non métallique revêtu ou imprégné
d'une colle polymère .
Selon une disposition préférentielle, le film est disposé de sorte que
la colle adhère sur le pied de l'aube. Alternativement, on peut prévoir que
le film adhère sur la surface de l'alvéole du support.
Selon une autre disposition préférentielle, le film comporte des fibres
de verre, du polytétrafluoroéthylène, en particulier du Téflon (marque
déposée) et/ou du polyamide, notamment sous forme de fibres, en
particulier du Kevlar ou du Nomex (marques déposées).
Parmi les différentes solutions possibles pour la structure du film de
polymère, le film non métallique comporte avantageusement un tissu de
fibres synthétiques. En effet, il existe de nombreux types de tissus
synthétiques présentant une grande résistance à l'usure, ainsi qu'un faible
coefficient de frottement.
Avantageusement, la colle est thermo polymérisable, ce qui permet
de contrôler le moment de la prise de cette colle en plaçant l'ensemble
dans un autoclave porté à une température minimale pendant un temps
prédéterminé. Ä titre d'exemple non limitatif, la colle est du type résine et
elle comprend une résine phénolique ou polyuréthane.
CA 02557109 2006-08-23
L'ensemble selon la présente invention englobe la situation dans
laquelle le pied de l'aube est directement logé dans l'alvéole mais
également le cas où l'ensemble comprend en outre au moins un clinquant
métallique monté sur le pied de l'aube, ledit film non métallique étant
5 alors disposé entre le cliquant et l'alvéole.
De préférence, le pied de l'aube est en titane, en aluminium ou en
acier ou en l'un de leurs alliages.
Également, de préférence le support de l'aube est en titane, en
aluminium ou en acier ou en l'un de leurs alliages.
La présente invention porte également sur une soufflante de
turbomachine comprenant des ensembles pour le montage du pied d'une
aube selon l'une des définitions données précédemment, caractérisée en
ce que les aubes sont mobiles et le support est formé du disque du rotor.
La présente invention porte aussi sur un compresseur de
turbomachine comprenant des ensembles pour le montage du pied d'une
aube selon l'une des définitions données précédemment, caractérisé en ce
que les aubes sont mobiles et le support est formé du disque du rotor.
La présente invention porte aussi sur un compresseur de
turbomachine comprenant des ensembles pour le montage du pied d'une
aube selon l'une des définitions données précédemment, caractérisé en ce
que les aubes sont fixes et le support est formé d'un flasque.
De tels compresseurs sont en particulier des compresseurs de
turbomachine de type basse pression, mais l'invention peut aussi
concerner des aubes situées à l'entrée d'un compresseur haute pression,
au niveau desquelles la température atteinte ne remet pas en cause les
propriétés mécaniques de l'un des constituants de la couche anti usure, à
savoir le film et la colle.
Enfin, la présente invention concerne également une turbomachine
équipée d'ensembles pour le montage du pied d'une aube selon l'une des
définitions données précédemment.
L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux à
la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation de
l'invention représenté à titre d'exemple non limitatif.
La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels
CA 02557109 2006-08-23
6
- la figure 1 représente une vue en coupe transversale partielle
d'une soufflante montrant le montage du pied d'une aube dans le rotor,
l'aube étant soumise aux efforts centrifuges de rotation, et
- la figure 2 représente une vue similaire à celle de la figure 1
selon une variante de réalisation de la présente invention.
La figure 1 représente le montage sur le disque 10 d'une soufflante
ou rotor, d'une aube 12 dont le pied 121 est logé dans un des multiples
alvéoles 101 du disque 10.
Plus précisément, chaque alvéole 101 présente une forme
sensiblement complémentaire à la forme du pied 121 de l'aube 12 pour
former un montage de type à queue d'aronde.
Les alvéoles 101 sont répartis radialement de façon équidistante tout
le long de la circonférence du disque 10, en étant ouverts en direction de
l'extérieur.
Comme on peut le voir sur les figures montrant une portion agrandie
de la section transversale du disque 10, c'est-à-dire une section
orthogonale à l'axe de rotation de la soufflante, chaque pied 121 d'une
aube 12 présente un contour symétrique avec deux parois latérales 122
divergentes l'une par rapport à l'autre depuis le corps de l'aube 12 en
direction de l'extrémité libre du pied 121 de l'aube 12, jusqu'à une paroi
de fond 124 sensiblement parallèle à l'axe de rotation et à la périphérie du
disque 10, et orthogonale à la direction principale longitudinale de l'aube
12 correspondante.
Les alvéoles 101 présentent une forme similaire avec des parois
latérales 102 inclinées vers extérieur depuis la circonférence en direction
de la portion intérieure du disque 10 jusqu'à une paroi de fond 104.
Les dimensions du pied 121 de l'aube 12 et de l'alvéole 101 sont
telles que lorsque le rotor 10 est au repos, le pied 121 est retenu dans
l'alvéole 101, la paroi de fond 124 du pied 121 pouvant alors toucher la
paroi de fond 104 de l'alvéole 101.
Lorsque le rotor 10 est opérationnel pendant le fonctionnement du
moteur ou turbomachine, la rotation du rotor 10 autour de l'axe central
entraîne un mouvement des aubes 12 en direction radialement vers
l'extérieur du fait des forces centrifuges, c'est-à-dire dans la direction de
la
flèche 13 la figure 1. Ä ce moment là, les parois latérales 122 du pied 121
de l'aube 12 sont en appui contre les parois latérales 102 de l'alvéole 101,
CA 02557109 2006-08-23
7
ce qui permet d'assurer la retenue de l'aube 12 à l'intérieur de l'alvéole
101, c'est-à-dire sa liaison avec le disque 10.
Ä chaque modification de la vitesse de rotation du rotor 10, le
mouvement de glissement du pied 121 de l'aube combiné avec la pression
de contact du pied 121 et le coefficient de frottement entre les matériaux
de l'aube 12 et du disque 10, génèrent des forces de cisaillement à la fois
sur le disque 10 et sur l'aube 12, l'un se déplaçant radialement par rapport
à l'autre de 1 à quelques millimètres.
En particulier, comme il ressort de la figure 1, il existe en
fonctionnement une zone de contact appelée portée soumise à
d'importants efforts, désignée sous le signe de référence 14, entre la paroi
latérale 122 du pied 121 et la paroi latérale 102 de l'alvéole 101, ainsi
qu'une région sans contact indiquée sous le signe de référence 16, qui
n'est soumise à aucune contrainte mécanique de contact pendant la
rotation du rotor formé du disque 10.
Conformément à l'invention, les détériorations de fatigue et d'usure
qui interviennent sur les surfaces en contact des parois latérales 102 et
122 du fait du mouvement relatif entre le pied 121 de l'aube 12 et
l'alvéole 101 du rotor 10 sont réduites par l'utilisation d'un film non
métallique 20 qui enrobe toute la surface extérieure du pied 121.
Plus précisément, on utilise un film 20 qui est avantageusement
formé d'un tissu anti usure, par exemple un tissu de la famille référencée
CHEMFAB de la société Saint-Gobain, réalisé à base de fibres de verre,
et/ou de fibres aramides, telles que celles connues sous les marques
déposées Nomex ou Kevlar.
Ce film 20 adhère à la surface extérieure du pied 121 avec une colle
revêtant ou imprégnant le film 20, au moins sur la face du film 20 devant
adhérer, cette colle étant de préférence de type résine et
avantageusement une résine phénolique ou polyuréthane.
Par exemple, on a utilisé avec succès, pour des aubes 12 en alliage
de titane et un disque 10 en alliage de titane, un film 20 réalisé dans le
tissu anti usure pré encollé dénommé Vespel ASB 0664 de la société du
Pont de Nemours (tissu composé de fibres de Nomex et Téflon -marques
déposées- pré encollé de résine phénolique), avec, à titre de colle, une
résine phénolique référencée Plyophen 23057 de la société Durez.
CA 02557109 2006-08-23
8
Ce film 20 présente une première face revêtue d'une couche de
polytétrafluoroéthylène à titre de lubrifiant et une deuxième face destinée
à venir se coller qui présente une bonne surface d'accrochage, l'épaisseur
de ce film étant de l'ordre de quelques dixièmes de millimètres.
On applique la colle de façon régulière sur la deuxième face du film
et on dispose cette deuxième face du film 20 préencollée sur les parois
latérales 122 et la paroi de fond 124 du pied 121 de chaque aube 12.
De préférence, on met en pression l'ensemble formé par le pied de
l'aube 121, la résine et le film 20 pendant le collage, c'est-à-dire la
polymérisation de la résine. La pression utilisée est de l'ordre de 7 à 14
MPa. Cela permet de garantir une bonne adhésion de la colle sur toute la
surface ainsi que l'évacuation des solvants.
Pendant ce temps, on réalise la polymérisation qui est effectuée,
dans l'exemple de réalisation, à 170 °C pendant une durée de 1 heure.
On obtient un film 20 écrasé adhérant parfaitement sur toute la
surface du pied 121 de l'aube 12 de façon à garantir sa présence dans la
zone 14, après montage comme il apparaît sur la figure 1.
Avantageusement, dans le cas de l'exemple de réalisation, le film 20
comporte, sur sa surface opposée à celle qui va adhérer sur le pied 121,
une couche de polytétrafluoroéthylène (PTFE) qui forme une surface
lubrifiante diminuant de façon très importante le coefficient de frottement
avec la surface des parois latérales 102 de l'alvéole 101, ce coefficient de
frottement pouvant atteindre 0,1 .
Après le collage, on peut nettoyer le pied 121 de l'aube pour retirer
les excès de résine par un sablage avec des billes de verre.
De façon avantageuse, à la suite des essais réalisés avec un
montage conforme à celui de la figure 1 et selon les prescriptions de
l'exemple de réalisation décrit ci-dessus, il a été possible d'augmenter de
façon très importante la durée de vie du montage entre le pied 121 et
l'alvéole 101.
En effet, il résulte de ces essais d'usure que l'on passe d'une
résistance sans endommagement de 10 000 cycles avec un revêtement
métallique classique à 800 000 cycles avec le film 20 de l'exemple de
réalisation.
On comprend donc qu'outre les avantages en termes de facilité de
pose et de rectification, l'utilisation, conformément à l'invention, d'un film
CA 02557109 2006-08-23
9
non métallique 20 anti-usure revêtu d'une couche de
polytétrafluoroéthylène emporte une résistance considérablement accrue à
l'usure par frottement.
Parmi les autres avantages de la présente invention, il faut noter la
possibilité d'éviter les modifications de la structure du matériau du disque
10, que l'on rencontre parfois, par exemple sous la forme d'un ressuage,
lors du dépôt d'un revêtement métallique, notamment de type plasma, ou
du retrait de ce dépôt.
De plus, une protection contre l'usure par un film 20 non métallique
permet de réaliser des contrôles non destructifs plus faciles du pied 121
de l'aube. Par exemple, on peut recourir à la technique des courants de
Foucault qui permet de déceler des défauts (notamment micro-criques ou
fissures) de faible taille (depuis 0,1 mm environ).
En outre, avec une telle amélioration, il est possible de se passer de
l'usinage dénommé «undercut » consistant à élargir l'alvéole dans la
région de sortie de la portée 14, adjacente à la région sans contact 16, où
se trouvent généralement des noeuds de contrainte.
Ainsi, l'utilisation pour le film 20 d'un tissu technique combinant des
fibres de renfort (de type aramide) et des fibres téflonnées procurant une
lubrification, réalise une diminution du coefficient de frottement dans la
zone 14, donc une diminution des efforts engendrés, ce qui équivaut à
une amélioration de la résistance mécanique.
Avantageusement, le film 20 est un tissu technique formé d'un tissu
de fibres de verre et/ou de fibres polyamide, comprenant
avantageusement du polytétrafluoroéthylène.
L'exposé qui précède prévoit de placer un film 20 sur toute la surface
du pied 121 de chaque aube. On comprend que cette solution est plus
aisée et plus rapide mais qu'en réalité, pour atteindre l'objectif de
l'invention, il suffit que le film 20 recouvre les parois latérales 122 du
pied
121 dans la zone de contact, c'est-à-dire la portée 14.
Cette technique peut être mise en oeuvre également, selon une
variante, en collant le film non métallique 20 sur la paroi de l'alvéole 101
(cas de figure non représenté).
Selon une autre variante non représentée, on peut fixer un film 20 à
la fois sur le pied 121 de l'aube 12 et sur la paroi de l'alvéole 101.
CA 02557109 2006-08-23
II faut noter que le procédé conforme à l'invention est tout à la fois
utilisable lors du montage initial mais également pour la réalisation d'une
réparation du montage entre le pied 121 d'une aube 12 et son alvéole 101
que ce montage ait initialement été réalisé conformément à l'invention ou
5 bien en ayant eu préalablement recours à un revêtement métallique anti
usure.
Dans ce dernier cas, on peut appliquer le film 20 en réparation sur
l'ancien revêtement métallique après un traitement préalable consistant à
sabler et nettoyer ledit revêtement ou bien après retrait complet de cet
10 ancien revêtement métallique.
Également, comme il apparaît sur la figure 2, selon une variante de
réalisation, le film de polymère 20 est collé sur un clinquant 22 métallique,
réalisé par exemple en superalliage base nickel ou en acier inoxydable.
Sur cette figure, les éléments identiques à ceux de la figure 1 ont
conservé les mêmes signes de référence.
Dans ce cas, pour mettre en oeuvre l'invention, on utilise un noyau
rigide disposé à l'intérieur du clinquant 22 pour éviter une éventuelle
déformation de ce dernier pendant la polymérisation sous pression de la
colle.
Le clinquant 22 est une tôle cintrée qui présente en section
transversale la forme d'un U dont les branches sont brisées en deux
portions en formant un angle obtus tourné vers l'intérieur du U. Cette
forme approche celle du pied 121 de l'aube 121 de sorte que les tronçons
d'extrémité des branches du U du clinquant recouvrent la zone 14 de
contact entre le pied 121 et l'alvéole 101.
Sur la figure 2, le film 20 recouvre toute la surface extérieure du
clinquant 22.
Ici aussi, à titre de variante, on peut prévoir que le film 20 recouvre
seulement toute la surface de la paroi de l'alvéole 101, ou bien à la fois
toute la surface extérieure du clinquant 22 et toute la surface de la paroi
de l'alvéole 101 ou encore seulement une région comprenant au moins la
zone 14 de l'une, de l'autre ou de ces deux surfaces.
La méthode de réalisation de cette variante de montage est très
proche de celle décrite précédemment en relation avec la figure 1, à la
seule différence de la présence du clinquant 22. La encore, il est entendu
que l'on peut mettre en place le film 20 conformément à la présente
CA 02557109 2006-08-23
11
invention soit sur un clinquant 22 neuf non revêtu, soit sur un clinquant 22
déjà utilisé et revêtu (en retirant ou non ce revêtement métallique
classique) ainsi qu'en réparation d'une partie ou de toute la surface du
clinquant préalablement revêtu d'un tel film 20.
On comprend donc que l'invention permet d'obtenir très facilement,
et selon plusieurs variantes lui donnant une grande souplesse de mise en
oeuvre, des résultats de tenue à l'usure tout à fait excellents sans modifier
l'agencement du montage de l'art antérieur des aubes, que ce soit en
montage initial, ou en réparation d'un montage pré existant.
