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CA 02610641 2007-11-23
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Dispositif de liaison de deux arbres rotatifs dans une turbomachine
La présente invention concerne un dispositif de liaison de deux
arbres rotatifs, et en particulier d'un arbre de turbine et d'un arbre de
compresseur dans une turbomachine.
Dans une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un
turbopropulseur d'avion, l'arbre de la turbine basse-pression entraîne en
rotation l'arbre du compresseur basse-pression, ces deux arbres étant liés
en rotation par un système de cannelures rectilignes qui sont formées par
exemple sur une surface cylindrique externe de l'arbre de turbine et qui
sont engagées dans des cannelures rectilignes complémentaires d'une
surface cylindrique interne de l'arbre du compresseur.
En fonctionnement, les parties cannelées des deux arbres sont
déformées élastiquement en torsion par le couple transmis, et on constate
que les contraintes maximales sont localisées aux extrémités longitudinales
de ces parties cannelées. Cette concentration de contraintes aux
extrémités longitudinales des parties cannelées des arbres peut diminuer la
durée de service de ces arbres.
L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple,
efficace et économique à ce problème.
Elle propose à cet effet un dispositif de liaison de deux arbres
rotatifs, comprenant des cannelures rectilignes formées sur une surface
cylindrique externe de l'un des arbres et engagées dans des cannelures
rectilignes complémentaires formées sur une surface cylindrique interne de
l'autre arbre, caractérisé en ce que, à l'état sans contrainte, les cannelures
des deux arbres sont sensiblement parallèles sur une partie de leur
longueur et divergent à au moins une de leurs extrémités longitudinales,
cette divergence étant déterminée de manière à disparaître en régime de
croisière par déformation élastique des cannelures des deux arbres qui
sont alors sensiblement parallèles sur toute leur longueur.
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La divergence des cannelures des arbres à au moins une de leurs
extrémités longitudinales est déterminée avec précision de manière à ce
que, en régime de croisière, du fait de la déformation élastique en torsion
des parties cannelées des arbres, cette divergence disparaisse et que les
cannelures des deux arbres soient sensiblement parallèles sur toute leur
longueur. Les contraintes liées à la transmission d'un couple de rotation
sont ainsi réparties sur toute la longueur des cannelures et ne sont pas
localisées à leurs extrémités longitudinales, ce qui permet d'augmenter la
durée de service des arbres.
Dans un exemple de réalisation de l'invention, les contraintes subies
par les extrémités longitudinales des parties cannelées des arbres sont
réduites de moitié.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la divergence des
cannelures à leur extrémité résulte d'un usinage des cannelures d'un seul
des arbres. Les cannelures de l'autre arbre sont rectilignes sur toute leur
longueur et les cannelures du premier arbre divergent à au moins une de
leurs extrémités.
Les cannelures des arbres sont formées d'une série de dents
rectilignes séparées par des rainures rectilignes. L'usinage des cannelures
de l'un des arbres comprend par exemple la formation d'un chanfrein sur
un flanc de chaque dent des cannelures de cet arbre. Le chanfrein d'un
flanc d'une dent de cannelure est raccordé de préférence à ce flanc par un
arrondi convexe qui ne génère pas de concentration de contraintes à la
transmission d'un couple de rotation.
A titre d'exemple, la longueur des parties divergentes d'extrémité
des cannelures est d'environ 15 à 25mm, et la divergence des cannelures à
leur extrémité est comprise entre 0,04mm et 0,1 mm environ.
L'invention concerne également une turbomachine, telle qu'un
turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, comprenant un compresseur
dont l'arbre est lié en rotation à un arbre de turbine, caractérisée en ce que
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l'arbre du compresseur et l'arbre de turbine sont liés par un dispositif tel
que décrit ci-dessus.
L'invention concerne encore un procédé de formation de cannelures
rectilignes sur une surface cylindrique externe d'un arbre d'un dispositif tel
que décrit ci-dessus, caractérisé en ce qu'il consiste à:
- mettre en rotation l'arbre autour de son axe longitudinal à une vitesse
prédéterminée,
- rapprocher une fraise hélicoïdale de l'arbre, cette fraise comprenant au
moins une arête de coupe hélicoïdale s'étendant autour de l'axe
longitudinal de la fraise qui est orienté sensiblement perpendiculairement à
l'axe de l'arbre, cette fraise étant entraînée en rotation autour de son axe à
une vitesse prédéterminée et déplacée parallèlement à l'axe de l'arbre de
manière à usiner des cannelures rectilignes sur l'arbre avec une profondeur
prédéterminée,
- puis, au voisinage d'une des extrémités longitudinales des cannelures,
rapprocher la fraise de l'arbre de manière à former des cannelures plus
profondes à cette extrémité.
Les dents des cannelures sont à section trapézoïdale et leurs flancs
sont inclinés par rapport à un plan passant par l'axe de rotation de l'arbre.
Plus la profondeur des rainures des cannelures est importante, et plus la
largeur ou dimension en direction circonférentielle de ces rainures est
importante. Les extrémités longitudinales des rainures des cannelures de
plus grande profondeur ont donc une plus grande largeur que le reste des
rainures, ce qui génère une divergence de ces extrémités des rainures par
rapport à leur direction longitudinale.
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 dispositif
de liaison entre un arbre de turbine et un arbre de compresseur d'une
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turbomachine ;
- la figure 2 est une vue schématique partielle et à plus grande échelle de la
partie cannelée de l'arbre de turbine de la figure 1;
- la figure 3 est une vue très schématique en perspective d'un système
d'usinage de cannelures rectilignes sur un arbre de turbine ;
- la figure 4 est une vue schématique partielle en coupe transversale et à
plus grande échelle d'une cannelure de l'arbre de la figure 3.
La figure 1 représente très schématiquement les moyens de liaison
en rotation d'un arbre 10 d'une turbine basse-pression et d'un arbre 12 d'un
compresseur basse-pression dans une turbomachine telle qu'un
turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, l'arbre de turbine 10
entraînant l'arbre 12 du compresseur en rotation autour de l'axe
longitudinal 14 de la turbomachine à l'aide d'un dispositif de liaison par
cannelures.
L'extrémité amont 16 de l'arbre de turbine 10 forme une partie
cylindrique mâle qui est engagée dans un passage cylindrique femelle 18
de l'arbre 12 du compresseur, et qui comporte sur sa surface cylindrique
externe une pluralité de cannelures rectilignes 20 à section sensiblement
trapézoïdale, qui sont régulièrement réparties autour de l'axe 14 et qui
coopèrent avec des cannelures rectilignes 22 complémentaires d'une
surface cylindrique interne du passage 18 de l'arbre 12.
L'arbre de turbine 10 est entraîné en rotation autour de l'axe 14 par
les gaz chauds sortant de la chambre de combustion de la turbomachine,
et qui entraînent les roues de la turbine basse-pression fixées à l'extrémité
aval de l'arbre 10. Cet arbre 10 transmet par l'intermédiaire des cannelures
20, 22 un couple de rotation à l'arbre 12 du compresseur qui porte à son
extrémité amont la roue de soufflante de la turbomachine.
En fonctionnement de la turbomachine et selon le régime moteur, les
parties cannelées des arbres 10, 12 sont plus ou moins déformées
élastiquement en torsion autour de l'axe 14, les extrémités longitudinales
des cannelures supportant la majeure partie des contraintes générées par
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la transmission d'un couple de rotation, ce qui réduit la durée de service
des arbres.
L'invention permet de remédier à ce problème grâce à la création
d'une divergence entre les cannelures 20, 22 des arbres à au moins une de
5 leurs extrémités longitudinales, cette divergence étant déterminée pour, en
régime de croisière, être sensiblement annulée de telle sorte que les
cannelures des deux arbres soient en contact les unes avec les autres sur
sensiblement toute leur longueur, ce qui se traduit par une nette diminution
des contraintes aux extrémités longitudinales des cannelures.
Les cannelures 20 de l'arbre 10 sont formées d'une série de dents
rectilignes à section trapézoïdale, séparées par des rainures rectilignes
également à section trapézoïdale, dans lesquelles sont engagées les dents
des cannelures 22 de l'arbre 12.
Dans l'exemple de réalisation de l'invention représenté en figure 2,
les rainures des cannelures d'un des deux arbres, par exemple de l'arbre
de turbine 10, comprennent chacune une partie d'extrémité aval 24 de plus
grande largeur ou dimension en direction circonférentielle, le reste de la
rainure ayant une largeur sensiblement constante. Les cannelures 22 de
l'autre arbre, non représentées, ont sensiblement la même longueur que
les cannelures 20 de l'arbre 10 et une largeur de rainure sensiblement
constante sur toute leur longueur.
En l'absence de contraintes, les flancs 26 des dents des cannelures
20 de l'arbre 10 et des cannelures 22 de l'arbre du compresseur sont
sensiblement parallèles entre eux et en contact les uns avec les autres, au
niveau des parties d'extrémité amont et des parties médianes des
cannelures 20, 22. Aux extrémités aval 24 des cannelures 20 de l'arbre de
turbine, les flancs des dents des cannelures 20 s'écartent des flancs des
dents des cannelures 22 de l'arbre du compresseur et présentent avec ces
derniers un faible jeu e en direction circonférentielle qui est rattrapé en
fonctionnement par déformation élastique en torsion des parties cannelées
des arbres.
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Dans l'exemple représenté, la divergence à l'extrémité aval de
chaque cannelure 20 résulte d'un chanfrein 28 usiné sur un flanc 26 d'une
dent de cette cannelure 20, sur une faible longueur à partir de son
extrémité aval. Ce chanfrein 28 est raccordé au flanc longitudinal 26 par un
arrondi convexe 29, pour éviter les concentrations de contraintes à la
transmission d'un couple de rotation qui résulteraient d'un raccordement en
forme de dièdre avec une arête de sommet.
En fonctionnement, les déformations en torsion des parties
cannelées des arbres 10, 12 sont telles que les dents des cannelures 20
sont déformées en torsion avec un rattrapage progressif des jeux e de
sorte que les chanfreins 28 des dents des cannelures 20 sont appliqués sur
les flancs des dents des cannelures 22 de l'arbre 12 (représentés par les
traits pointillés 26'). Ainsi, les cannelures 20, 22, sont en contact sur
sensiblement toute leur longueur et les efforts de transmission d'un couple
de rotation sont mieux répartis sur toute la longueur des cannelures, ce qui
permet d'augmenter considérablement leur durée de service.
Le chanfrein 28 a par exemple une longueur L comprise entre 15 et
25mm, ce qui représente environ 10 à 30% de la longueur totale de la
cannelure. Ce chanfrein 28 a été formé par usinage d'un flanc 26 de la dent
20 sur une épaisseur e en direction circonférentielle comprise entre
0,04mm et 0,1 mm environ, la hauteur de la dent étant de 3mm environ.
Dans un exemple préféré de réalisation, les chanfreins 28 ont une
longueur de 20 mm et une dimension e de 0,08 mm.
En variante, chacune des extrémités longitudinales amont et aval
des cannelures de l'arbre de turbine (ou de l'arbre du compresseur)
comprend des chanfreins 28 du type précité.
Il suffit que les chanfreins 28 soient formés sur un seul des flancs
des dents des cannelures.
En pratique, il est cependant possible de former ces chanfreins
simultanément sur les flancs en regard des dents consécutives lors de
l'usinage des cannelures, d'une façon qui est beaucoup plus simple, plus
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rapide et plus économique que l'usinage ultérieur des chanfreins sur les
flancs des dents de cannelures.
On a représenté de manière simplifiée en figure 3 un système de
formation de cannelures rectilignes 20 à section trapézoïdale sur un arbre
de turbine 10. Ce système comprend des moyens 30 de mise en rotation
de l'arbre 10 autour de son axe longitudinal 14 (flèche 31), l'arbre 10 et les
moyens 30 étant portés par un plateau 32 déplaçable dans une direction
perpendiculaire à l'axe 14, représentée par les flèches 34.
Les cannelures 20 sont usinées sur une surface cylindrique externe
de l'arbre 10 au moyen d'une fraise hélicoïdale comprenant au moins une
arête de coupe 36 hélicoïdale s'étendant autour de l'axe longitudinal 38 de
la fraise. Cette fraise est orientée sensiblement perpendiculairement à l'axe
14 de l'arbre 10, et est entraînée en rotation autour de l'axe 38 par des
moyens 42 appropriés (flèche 40). La fraise est également déplaçable dans
une direction parallèle à l'axe 14 de l'arbre, représentée par les flèches 44,
pour l'usinage des cannelures.
Le procédé selon l'invention comprend les étapes consistant à
mettre en rotation l'arbre 10 autour de son axe à une vitesse
prédéterminée, puis à rapprocher la fraise de l'arbre 10, à une distance
donnée de celui-ci de manière à usiner des cannelures sur l'arbre à une
profondeur P déterminée (figure 4). La fraise est ensuite déplacée dans
une direction parallèle à l'axe 14 de rotation de l'arbre pour former les
cannelures 20 à cette profondeur sur une longueur voulue.
La profondeur des cannelures usinées détermine la largeur ou
dimension circonférentielle D, D' des rainures des cannelures (figure 4). La
fraise est ensuite rapprochée de l'arbre, au voisinage d'une des extrémités
longitudinales des cannelures 20, de manière à former des cannelures
avec une profondeur P' plus importante à cette extrémité, ce qui va
simultanément former des chanfreins 28 sur les deux flancs de chacune
des dents des cannelures 20, la dimension e de ces chanfreins étant
déterminée par la différence (D' - D) / 2.
