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Roue de rotor de turbomachine
La présente invention concerne une roue de rotor, en particulier de
turbomachine, comprenant un disque portant des aubes dont les pieds sont
montés dans une gorge annulaire d'une surface périphérique extérieure du
disque.
Les pieds des aubes sont introduits dans cette gorge par une fenêtre
d'une paroi latérale de la gorge, puis sont déplacés circonférentiellement
dans la gorge pour y être retenus radialement et axialement par rapport à
l'axe du rotor par coopération de formes, la gorge étant à section
transversale en queue d'aronde ou analogue et les pieds des aubes ayant
une forme conjuguée de celle de la gorge.
Les pieds des aubes sont raccordés aux pales des aubes par des
plates-formes qui, quand les aubes sont montées dans la gorge et
juxtaposées circonférentiellement, entourent extérieurement la surface
périphérique du disque.
Les tolérances de fabrication et de montage font que les pieds des
aubes sont logés avec jeu dans la gorge annulaire du disque.
En fonctionnement, les aubes, soumises à des forces centrifuges
importantes, adoptent une position angulaire correcte par rapport à l'axe du
rotor, dans laquelle les jeux radiaux entre les extrémités externes des
aubes et un carter annulaire externe sont minimisés pour améliorer les
performances de la turbomachine.
Un joint annulaire en élastomère est en général monté dans une
rainure annulaire de la surface périphérique du disque, en amont et/ou en
aval des aubes, sous les plates-formes des aubes, et a à l'état libre un
diamètre externe inférieur ou égal à celui de sa rainure de montage pour ne
pas gêner le glissement circonférentiel des aubes dans la gorge annulaire
du disque.
En fonctionnement, ce joint s'expanse radialement vers l'extérieur
sous l'effet des forces centrifuges et vient en contact avec les plates-formes
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des aubes, pour empêcher un passage d'air entre les plates-formes et la
surface périphérique extérieure du disque, qui diminuerait les performances
de la turbomachine, et/ou pour amortir les vibrations des aubes.
Au démarrage et à l'arrêt de la turbomachine, les aubes de la roue
peuvent basculer plus ou moins par rapport à leur position de
fonctionnement et leurs extrémités peuvent venir frotter sur le carter
externe, ce qui se traduit par une détérioration des aubes et une diminution
des performances de la turbomachine.
L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple,
économique et efficace à ce problème.
Elle a pour objet une roue de rotor dont les aubes sont maintenues,
en fonctionnement ainsi qu'à l'arrêt et au démarrage, sensiblement dans
une même position par rapport à l'axe du rotor.
Elle propose à cet effet une roue de rotor, en particulier de
turbomachine, comprenant un disque portant des aubes dont les pieds
sont engagés et retenus dans une gorge annulaire d'une surface
périphérique extérieure du disque, ces pieds étant raccordés à des plates-
formes entourant extérieurement la surface périphérique extérieure du
disque et destinées à coopérer avec un joint annulaire d'étanchéité monté
dans une rainure annulaire de la surface périphérique extérieure du disque,
caractérisé en ce que, à l'arrêt, le joint annulaire exerce sur les plates-
formes des aubes une force élastique maintenant les aubes dans une
position correcte de fonctionnement, le joint annulaire ayant, à l'état libre,
un diamètre externe supérieur à celui de sa rainure de montage, et sa
dureté étant déterminée pour assurer le rappel des aubes dans leur
position correcte de fonctionnement et pour autoriser le déplacement
circonférentiel des aubes dans leur gorge annulaire de montage.
En fonctionnement de la turbomachine, le joint annulaire amortit les
vibrations des aubes et/ou empêche le passage d'air entre les plates-
formes des aubes et la surface périphérique du disque, et, pendant les
phases de démarrage et d'arrêt de la turbomachine, ce même joint permet
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de positionner les aubes de manière correcte pour éviter que leur
extrémités ne viennent frotter sur le carter externe.
Lorsque le pied d'une aube est introduit dans la gorge annulaire du
disque à travers la fenêtre, la plate-forme de cette aube vient au contact du
joint annulaire et le déforme localement. La dureté du joint élastique est
déterminée pour que la force de rappel exercée par le joint sur l'aube soit
suffisamment faible pour autoriser le déplacement circonférentiel de l'aube
dans la gorge et suffisamment importante pour assurer le positionnement
correct de l'aube une fois que celle-ci est montée dans la gorge.
Le joint a préférentiellement une forme symétrique par rapport à son
plan transversal médian ce qui permet de faciliter sa fabrication et d'éviter
un montage incorrect du joint dans la rainure annulaire du disque.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le joint comprend au
moins une lèvre périphérique externe destinée à s'étendre en saillie à
l'extérieur de la rainure lorsque le joint est monté dans la rainure. Cette
lèvre vient au contact des plates-formes des aubes montées sur le disque
et assure à la fois le positionnement correct des aubes, à l'arrêt et au
démarrage de la turbomachine, et l'étanchéité entre les plates-formes des
aubes et la surface périphérique du disque et/ou l'amortissement des
vibrations des aubes, en fonctionnement de la turbomachine.
Le joint peut également comprendre au moins une lèvre périphérique
interne destinée à s'appuyer sur le fond de la rainure lorsque le joint est
monté dans la rainure.
Dans un mode de réalisation de l'invention, le joint annulaire a en
section une forme sensiblement en parallélogramme ou en losange, dont
un sommet forme une lèvre radialement interne ou externe du joint.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le joint annulaire a
en section une forme sensiblement en X ou en H.
La présente invention concerne également un joint annulaire pour
une roue de rotor telle que décrite ci dessus, caractérisé en ce qu'il a, à
l'état libre, un diamètre externe supérieur à celui de sa rainure annulaire de
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montage et une dureté Shore A comprise entre 50 et 100 et par exemple
égale à 75. Ce joint est par exemple réalisé en VITON A)) ou VITON
B .
Ce joint annulaire peut être un joint d'étanchéité et/ou un joint
d'amortissement de vibrations.
L'invention concerne encore un compresseur de turbomachine,
comprenant au moins une roue de rotor telle que décrite ci-dessus, et une
turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion,
caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une roue de rotor telle que
décrite ci-dessus.
Selon un autre aspect, l'invention propose les caractéristiques [1] à
[8] ci-dessous :
[1] Roue de rotor pour turbomachine, comprenant :
un disque portant des aubes dont les pieds sont engagés et retenus dans
une gorge annulaire d'une surface périphérique extérieure du disque, une
surface annulaire externe de la surface périphérique extérieure du disque
ayant une surface annulaire externe située en amont de la gorge annulaire
et une surface annulaire externe située en aval de la gorge annulaire, les
pieds étant connectés à des plates-formes entourant extérieurement la
surface périphérique extérieure du disque et destinées à coopérer avec un
joint annulaire d'étanchéité monté dans une rainure annulaire de la
surface annulaire externe aval de la surface périphérique extérieure du
disque,
dans laquelle, à l'arrêt, le joint annulaire s'appuie contre des surfaces
internes des plates-formes des aubes et exerce une force élastique
maintenant les aubes dans une position correcte de fonctionnement dans
laquelle les surfaces internes des plates-formes des aubes sont espacées
de la surface annulaire externe aval et dans laquelle les plates-formes des
aubes sont en butée contre la surface annulaire externe amont, le joint
d'étanchéité à l'état libre ayant un diamètre extérieur supérieur à celui de
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sa rainure de montage, et sa dureté étant déterminée pour assurer le
rappel des aubes dans leur position correcte de fonctionnement et pour
autoriser le déplacement circonférentiel des aubes dans leur gorge
annulaire de montage,
et dans laquelle le joint a en section une forme sensiblement en X ou en
H, et comprend deux lèvres périphériques externes s'étendant en saillie à
l'extérieur de la rainure et s'appuyant contre les plates-formes des aubes
et deux lèvres périphériques internes s'appuyant sur le fond de la rainure
lorsque le joint est monté dans la rainure, le joint comprenant en outre une
surface annulaire plate amont et une surface annulaire plate aval qui sont
parallèles à la surface amont du joint de la gorge et à la surface aval du
joint de la gorge et sont en butée contre les surfaces amont et aval du joint
de la gorge.
[2] Roue selon [1], dans laquelle le joint a une forme symétrique par
rapport à son plan transversal.
[3] Roue selon [1] ou [2], dans laquelle la dureté du joint est déterminée
pour assurer une position angulaire des aubes lorsque la turbomachine
est au repos qui est sensiblement la même que la position angulaire des
aubes lorsque la turbomachine est en opération.
[4] Roue selon l'une quelconque [1] à [3], dans laquelle les surfaces
internes des plates-formes des aubes comprennent une nervure annulaire
qui projette vers un axe du rotor et est en butée contre la surface
annulaire externe amont de la surface périphérique externe du disque.
[5] Joint d'étanchéité annulaire pour une roue de rotor telle que définie
selon l'une quelconque [1] à [4], ledit joint ayant, à l'état libre, un
diamètre
externe supérieur à celui de sa rainure annulaire de montage et une
dureté Shore A comprise entre 50 et 100.
[6] Compresseur de turbomachine, comprenant au moins une roue de
rotor telle que définie selon l'une quelconque [1] à [4].
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[7] Turbomachine, comprenant au moins une roue de rotor telle que
définie selon l'une quelconque [1] à [4].
[8] Turbomachine selon [7], qui est un turboréacteur ou un
turbopropulseur.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails
et avantages de l'invention apparaîtront 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 en coupe axiale d'un
compresseur basse-pression de turbomachine comprenant une roue de
rotor selon la technique antérieure ;
- la figure 2 est une vue agrandie du détail 12 de la figure 1;
- la figure 3 est une vue schématique correspondant à la figure 2 et
représentant un mode de réalisation d'une roue de rotor selon l'invention ;
- la figure 4 est une vue agrandie du détail 14 de la figure 3;
- la figure 5 est une vue schématique correspondant à la figure 4 et
représentant une variante de réalisation de l'invention.
Le compresseur basse-pression 10 de la figure 1 comprend trois
étages de compression, chacun de ces étages comportant une rangée
annulaire d'aubes fixes 12 de redressement dont les extrémités
radialement externes sont portées par un carter annulaire externe 14, et
une rangée annulaire d'aubes mobiles 16, agencées en aval de la rangée
annulaire d'aubes fixes 12, et dont les pieds 18 sont montés dans une
gorge annulaire 20 d'une surface périphérique extérieure d'un disque 24
d'une roue de rotor.
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=
Dans l'exemple représenté, le disque 24 comprend une paroi de
révolution 22 qui comprend des nervures annulaires externes 26 entre
lesquelles sont délimitées les gorges annulaires 20 de montage des
rangées d'aubes mobiles 16, respectivement.
5 Le
disque 24 est relié à un arbre de la turbomachine, non
représenté, par l'intermédiaire d'un cône d'entraînement 28 fixé sur une
bride annulaire amont 30 de la paroi de révolution 22 du disque.
Chaque gorge 20 a de façon classique une section transversale du
type en queue d'aronde ou analogue et comprend une fenêtre, non visible,
d'introduction des pieds 18 des aubes 16 qui ont une forme
complémentaire de celle de la gorge 20.
Comme on le voit mieux en figure 2, la gorge 20 du disque 24
comprend un fond annulaire 31 s'étendant entre deux parois latérales 32
comportant chacune un rebord annulaire axial 34 orienté sensiblement vers
la paroi latérale 32 opposée. La fenêtre d'introduction des pieds 18 des
aubes est par exemple formée dans une paroi latérale 32 de la gorge ou
par découpe des rebords annulaires 34 de la gorge.
Les pieds 18 des aubes comprennent des rebords amont 40 et aval
42, à orientation circonférentielle autour de l'axe du rotor, destinés à être
logés entre le fond 31 de la gorge et les rebords annulaires 34 de la gorge,
respectivement, et à coopérer par butée avec ceux-ci de manière à retenir
radialement et axialement les aubes 16 sur le disque par rapport à l'axe du
rotor.
Les aubes 16 (par exemple au nombre de 62) sont introduites dans
la gorge annulaire 20 du disque les unes après les autres et sont
juxtaposées circonférentiellement autour de l'axe du rotor. Les pieds 18 des
aubes sont raccordés aux pales des aubes par des plates-formes 44 qui
sont alignées circonférentiellement les unes avec les autres et entourent
extérieurement les nervures annulaires 26.
Les tolérances de fabrication et de montage font que les pieds 18
des aubes sont montés avec jeu dans la gorge 20 du disque.
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Dans l'exemple représenté, le jeu radial entre l'extrémité radialement
externe d'une nervure aval 26 et la partie correspondante du pied d'aube
ou de la plate-forme 44 peut atteindre 0,15mm dans le cas d'une gorge
annulaire 20 ayant un diamètre externe de 1,20m environ.
En fonctionnement de la turbomachine, les aubes 16 sont soumises
à des forces centrifuges importantes et adoptent une position angulaire
redressée par rapport à l'axe du rotor dans laquelle les rebords aval 42 des
pieds des aubes viennent buter sur le rebord 34 de la paroi aval 32 de la
gorge (figure 2), et les plates-formes 44 des aubes sont en appui sur la
périphérie externe de la paroi amont 32 de la gorge et sont écartées de la
périphérie externe de la paroi aval 32 de la gorge, les jeux radiaux entre les
extrémités externes des aubes 16 et le carter externe 14 étant alors
minimisés pour améliorer les performances de la turbomachine.
La surface interne de la plate-forme 44 de chaque aube comporte
une nervure annulaire 46 en saillie vers l'axe du rotor qui vient s'accrocher
sur la périphérie externe de la paroi amont 32 de la gorge, comme
représenté en figure 2.
Un joint annulaire monobloc 50 en élastomère et à section circulaire
est monté dans une rainure annulaire 52 de la périphérie externe de la
paroi latérale aval 32 de la gorge, cette rainure 52 débouchant radialement
vers l'extérieur sous les extrémités aval 48 des plates-formes des aubes.
Le joint 50 a à l'état libre un diamètre externe inférieur ou égal à
celui de la rainure 52 (comme représenté en traits pointillés en figure 2) et
est, à l'arrêt, logé entièrement dans la rainure. Ce joint 50 peut être un
joint
d'étanchéité et/ou un joint d'amortissement de vibrations.
En fonctionnement de la turbomachine, le joint 50 s'expanse
radialement vers l'extérieur sous l'effet des forces centrifuges et s'appuie
sur des surfaces aval internes 48 des plates-formes des aubes (comme
représenté en traits pleins), pour empêcher un passage d'air entre les
plates-formes des aubes et la périphérie externe de la paroi aval 32 de la
gorge, et/ou pour exercer une pression sur les plates-formes et amortir les
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vibrations des aubes.
A l'arrêt et au démarrage de la turbomachine, les aubes 16 de la
roue basculent légèrement vers l'aval et adoptent une autre position
angulaire par rapport à l'axe du rotor, dans laquelle les rebords aval 42 des
pieds des aubes viennent en appui sur le fond 31 de la gorge de sorte que
les extrémités radialement externes des aubes 16 sont susceptibles de
toucher le carter externe 14, ce qui risque de détériorer les aubes au
démarrage et à l'arrêt et donc de réduire les performances de la
turbomachine.
L'invention répond à ce problème grâce à un joint annulaire monté
dans la rainure 52 et qui permet, à l'arrêt de la turbomachine, d'exercer sur
les plates-formes 44 des aubes une force élastique sollicitant les aubes 16
vers leur position de fonctionnement dans laquelle les extrémités des
aubes sont écartées du carter externe 14 et ne peuvent frotter sur celui-ci.
Dans un premier mode de réalisation représenté aux figures 3 et 4,
le joint 54 a une section sensiblement en losange et comprend une lèvre
périphérique externe 56 à section triangulaire destinée à s'étendre en saillie
à l'extérieur de la rainure 52 pour venir en appui contre les surfaces aval
internes 48 des plates-formes des aubes, et une lèvre périphérique interne
58 à section triangulaire destinée à s'appuyer sur le fond de la rainure 52,
lorsque le joint 54 est monté dans la rainure. Les arêtes amont et aval 60
du joint 54 sont destinées à venir en appui sur les parois latérales de la
rainure 52.
Les dimensions et la dureté du joint 54 ont été déterminées pour que
d'une part les aubes 16 de la roue adoptent sensiblement la même position
angulaire à l'arrêt et en fonctionnement de la turbomachine, et d'autre part,
pour que le joint 54 n'empêche pas l'introduction des pieds 18 des aubes
dans la gorge 20 du disque et le déplacement circonférentiel des aubes
dans cette gorge par frottement des surfaces 48 des plates-formes sur le
joint 54. Comme cela est visible en figure 4, le joint 54 est déformé
élastiquement entre les plates-formes des aubes et le fond de la rainure 52
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et exerce sur ces plates-formes une force de rappel pour assurer le
positionnement correct des aubes.
Dans un exemple de réalisation de l'invention, le joint annulaire 54 a
un diamètre externe d'environ 1,20 mètres, une dureté Shore A comprise
entre 50 et 100 et par exemple égale à 75 environ, et peut résister à des
températures pouvant atteindre 150 C. Ce joint est par exemple réalisé en
VITON A ou VITON B .
Dans un autre mode de réalisation représenté en figure 5, le joint 62
a une section sensiblement en X ou en H et comprend deux lèvres
périphériques externes 64 qui s'étendent en saillie à l'extérieur de la
rainure
52 pour venir en appui sur les surfaces internes aval 48 des plates-formes
des aubes, et deux lèvres périphériques internes 66 dont les surfaces
latérales amont et aval 68 sont sensiblement planes et parallèles et
viennent en appui sur les parois latérales de la rainure 52, lorsque le joint
62 est monté dans la rainure 52. Le joint 62 est déformé élastiquement
entre les plates-formes des aubes et le fond de la rainure 52 et exerce sur
les plates-formes une force de rappel pour assurer le positionnement
correct des aubes.
Lorsque le joint 54 ou 62 est monté dans la rainure 52 du disque, il
n'occupe pas la totalité du volume de cette rainure, comme représenté aux
figures 4 et 5. Lorsque le pied 18 d'une aube est introduit dans la gorge 20,
la plate-forme 44 de cette aube vient en appui sur le joint 54, 62 qui est
légèrement comprimé à l'Intérieur de la rainure 52.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation
qui ont été décrits dans ce qui précède et représentés aux figures 3 à 5.
Par exemple, le joint 54 ou 62 qui a de préférence une forme symétrique
par rapport à son plan transversal médian, peut avoir une forme en section
différente de celles représentées.
D'autre part, le joint 54 ou 62 pourrait être monté dans une rainure
annulaire de la paroi latérale amont 32 de la gorge, cette rainure
débouchant sous les parties amont des plates-formes 44 des aubes.
