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CA 02629803 2008-04-24
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Amortisseur pour aubes de turbomachine
La présente invention concerne le domaine des turbomachines comprenant
au moins un disque de rotor pourvu d'aubes sur la jante, et porte sur un
amortisseur dynamique monté sous la plateforme des aubes. Elle vise plus
particulièrement les compresseurs axiaux,
Une turbomachine concernée par l'invention est un compresseur axial ou
une turbine axiale du type comprenant au moins un disque rotor avec des
logements creusés sur sa jante pour des aubes qui s'étendent radialement
par rapport à l'axe de la machine. Les aubes comprennent elles mêmes un
pied, une pale et entre les deux une plateforme. Le pied est encastré dans le
logement du disque, la pale est balayée par le flux gazeux moteur et la
plateforme forme une portion de la surface radialement interne de la veine
gazeuse.
L'amortissement dynamique vise à modifier le comportement dynamique
des aubes de la turbomachine par ajout d'une masse sous les plateformes
des aubes. Les efforts ainsi générés en fonctionnement permettent de
diminuer les contraintes dynamiques dans le pied des aubes en changeant
les fréquences propres de vibration.
On connaît plusieurs types d'amortisseurs parmi lesquels on trouve des
amortisseurs collés et des amortisseurs rapportés : les amortisseurs collés
sont directement fixés par collage à la surface intérieure des plateformes,
c'est-à-dire la surface tournée vers l'axe de la machine. Cette solution ne
présente aucun problème de montage. Elle demande cependant que les
masselottes soient positionnées avec précision avant leur collage et une
colle suffisamment résistante pour éviter les pertes d'amortisseur en
fonctionnement.
Les amortisseurs rapportés sont disposés entre les aubes. En
fonctionnement ils sont centrifugés et arrêtés radialement par les
plateformes des aubes. Ce système demande un environnement approprié,
accessible de façon à permettre à la fois le montage et le maintien en place
des amortisseurs. Contrairement à la solution précédente on ne rencontre
pas de cas avec perte d'amortisseur car il n'y a pas de collage. Des
problèmes d'usure peuvent apparaître cependant dus au frottement des
pièces les unes avec les autres.
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La demanderesse s'est fixé l'objectif d'améliorer la technique des
amortisseurs rapportés sur deux plans :
Permettre leur mise en place dans un environnement à faible
accessibilité, tel que la première roue mobile d'un compresseur à haute
pression.
Réduire l'usure par frottement relatif en rattrapant les jeux entre les
différentes pièces de l'environnement en contact avec l'amortisseur.
On parvient par l'invention à réaliser un amortisseur satisfaisant à ces
conditions.
Un amortisseur pour aubes de turbomachine, conforme à l'invention,
agencé pour être logé entre la face inférieure des plateformes de deux aubes
adjacentes d'une turbomachine et la jante du disque de rotor sur lequel les
aubes sont montées, est caractérisé par le fait qu'il comprend une
masselotte, une semelle conformée pour prendre appui sur ladite jante et un
ressort, le ressort reliant la masselotte à la semelle et dont au moins la
masselotte est réalisée en matériau composite.
La solution de l'invention par la fonction ressort permet de concevoir un
amortisseur dont la forme rend sa mise en place possible dans les espaces
peu accessibles et d'assurer un maintien en limitant le frottement diminuant
les risques d'usure.
Selon un mode de réalisation, la masselotte comprend une portion de
surface de contact avec les plateformes, ladite portion de surface formant,
lorsque le ressort est au repos, un angle inférieur à 900 avec la semelle,
ledit angle étant déterminé par l'angle que forme la face intérieure des
plateformes avec la jante. L'amortisseur a ainsi une forme en coin
déformable aisément manipulable.
Plus particulièrement, le ressort est une lame solidaire à une extrémité de la
masselotte et à la semelle à son extrémité opposée.
La masselotte étant réalisée en matériau composite, ce dernier matériau
autorise un large choix de masse volumique de la masselotte tout en offrant
une grande flexibilité de forme. Plus particulièrement le matériau est un
textile imprégné. La partie de l'amortisseur formant ressort peut se
distinguer de la partie formant masselotte dans le choix des matériaux
utilisés et leur structure.
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La masselotte, selon les besoins, peut comprendre au moins un insert de
masse volumique distincte de la masse volumique du matériau imprégné.
L'insert est déterminé en fonction de la masse volumique visée pour
l'amortisseur. Il peut s'agir d'un insert en métal par exemple si la masse
volumique doit être augmentée ou bien un matériau à base de mousse si au
contraire la masse volumique doit être réduite.
Afin de faciliter le montage, l'amortisseur comprend sur au moins une
extrémité libre de la semelle ou de la masselotte une portion de lame
formant une butée ou un crochet de fixation.
Conformément à une autre caractéristique, la masse de l'amortisseur est
ajustée de manière à être interchangeable sans nécessiter de rééquilibrage
du rotor sur lequel il est monté. L'ajustement de la masse est fait
simplement par enlèvement de matière dans la zone du centre de gravité de
la masselotte.
Si cela est nécessaire on peut encore ajuster la masse de l'amortisseur avec
une seconde masselotte fixée dans le prolongement de ladite masselotte du
côté du ressort.
La demanderesse entend aussi protéger un rotor de turbomachine
comprenant une jante avec des alvéoles individuelles et des aubes
comportant un pied logé dans les alvéoles, une pale et une plateforme entre
le pied et la pale. Il est caractérisé par le fait que des amortisseurs tels
que
définis précédemment sont logés dans les espaces entre la jante et deux
plateformes de deux aubes adjacentes. Afin de retirer le bénéfice d'une
telle structure les ressorts des amortisseurs sont précontraints au montage.
On décrit maintenant un mode de réalisation de l'invention, plus en détail,
en référence aux dessins annexés sur lesquels :
La figure 1 montre en perspective cavalière un amortisseur de
l'invention,
La figure 2 montre le même amortisseur selon un autre angle de vue,
La figure 3 montre l'amortisseur de l'invention en place dans un
rotor de compresseur axial de moteur à turbine à gaz, le rotor étant
représenté selon une vue partielle, en perspective,
La figure 4 montre l'amortisseur en place comme dans la figure 3, le
rotor étant vu en coupe selon un plan radial contenant l'axe du rotor,
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Les figures 5, 6 et 7 montrent les étapes de montage de l'amortisseur
sur le rotor des figures 3 et 4 ;
La figure 8 montre une variante de réalisation de l'amortisseur avec
inserts,
La figure 9 montre une variante avec modification de la surface de
contact,
La figure 10 montre une autre variante avec une masselotte
additionnelle.
La figure 11 est une vue analogue à la figure 2 d'une autre variante.
On a représenté en perspective sur les figures 1 et 2 un amortisseur 1
conforme à l'invention. Il comprend une masselotte 11, un ressort 12 et une
semelle 13. La masselotte est de forme adaptée à l'environnement dans
lequel l'amortisseur est destiné à être monté. Dans cet exemple la
masselotte est de forme allongée pour un montage dans l'espace libre entre
deux aubes adjacentes d'un compresseur de moteur à turbine à gaz, sous les
plateformes des deux aubes. La masselotte présente deux surfaces 11A et
11B de contact avec les plateformes, et deux surfaces latérales 11C et 11D.
La masselotte 11 se prolonge à une extrémité par un ressort 12 en forme de
lame incurvée autour d'un axe perpendiculaire à la direction longitudinale
de la masselotte. La lame de ressort 12 est reliée à une semelle plane en
forme de lame. La masselotte forme dans l'exemple représenté un angle
avec le plan de la semelle lorsque le ressort est au repos, non contraint. Les
extrémités de la masselotte et de la semelle opposées au ressort
comprennent chacune une lame pliée en forme de crochet, 14 et 15
respectivement.
Les figures 3 et 4 montrent l'amortisseur en place dans un rotor de
turbomachine. Selon l'exemple, il s'agit d'un rotor de compresseur 2,
connu en soi, vu, sur la figure 3, depuis l'aval selon la direction
d'écoulement des gaz. Ce rotor 2 est composé d'un disque 3 et d'une
pluralité d'aubes 4 à sa périphérie. La jante 31 est pourvue d'alvéoles 31'
sensiblement axiales réparties sur son pourtour. Dans cet exemple les
alvéoles 31' sont à section en queue d'aronde.
Les aubes 4 ont un pied 41, une plateforme 42 et une pale 43. Le pied dans
sa partie inférieure 41' est à section en queue d'aronde, complémentaire de
celle des alvéoles. Les alvéoles présentent ainsi des surfaces formant des
portées de retenue radiale des aubes contre les forces centrifuges. Le pied
comprend aussi une échasse 41" sous la plateforme 42. Cette échasse est
pourvue d'un crochet 41" tournée vers l'aval. Ce crochet coopère avec un
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anneau non représenté qui coopère avec la face aval de la jante pour
verrouiller les aubes axialement. Le verrouillage peut être assuré aussi par
des cales disposées sous l'aube entre le pied et le fond de l'alvéole. Comme
on le voit sur les figures 3 et 4, les plateformes 42 sont inclinées par
rapport
5 à la surface de la jante. Il s'agit ici d'un compresseur où les
plateformes
définissent la réduction de section de la veine d'air en compression. Une
nervure transversale 42' s'étend radialement sous la plateforme 42 vers
l'axe du rotor du côté aval de l'aube.
L'amortisseur 1, en place entre deux aubes adjacentes, est disposé dans
l'espace défini sous les deux plateformes 42 entre la jante 31 et les deux
échasses 41". Le ressort 12 est agencé pour être sous tension de telle façon
que la masselotte 11 reste plaquée en permanence contre les plateformes
42. La semelle par réaction est en appui et plaquée contre la jante 31. Les
deux lames crochets 14 et 15 sont réalisées de manière à venir en prise
l'une 14 sous la nervure radiale 42', l'autre 15 contre le bord aval de la
jante 31. Sur la figure 3, l'amortisseur est visible seulement par les deux
lames crochets 14 et 15 qui remplissent ainsi la fonction de détrompeur. On
peut ainsi vérifier d'un seul coup d' il soit leur absence soit un montage
erroné. On comprend que les surfaces 11A, 11B, 11C et 11D, venant au
contact en appui contre les aubes sont conformées en conséquence.
Sur les figures 5, 6 et 7, on a représenté les étapes du montage de
l'amortisseur. On voit que le passage entre la nervure radiale 42' et la jante
31 du disque est faible. Il suffit de pincer l'amortisseur et ramener la
masselotte contre la semelle. Dans cette configuration, l'amortisseur peut
être glissé dans le passage selon la direction de la flèche, Figure 6. Lorsque
l'amortisseur est suffisamment engagé, le ressort force la masselotte contre
les plateformes 42 selon la direction de la flèche de la figure 7. Le crochet
14 se met en place aussi sur la nervure et la lame 15 vient en appui contre
le bord de la jante 31.
L'amortisseur est de préférence réalisé en matériau composite. La
technique de fabrication comprend la réalisation d'un empilement de
plusieurs couches de tissus imprégnés d'une résine organique dans un
moule ; puis la polymérisation de la résine en autoclave.
Le matériau peut être obtenu à partir d'une texture préformée de fibres
tissées injectée par de la résine en utilisant un procédé tel que celui décrit
dans le brevet FR 2759096 au nom de la demanderesse. La texture peut de
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type 2D (D pour dimension) 3D ou encore celle connue sous la désignation
2.5D. Les fibres peuvent être à base d'un seul matériau ou de matériaux
différents, par exemple un mélange de fibres en carbone avec des fibres en
verre et des fibres connues sous la marque Kevlar
L'ensemble de l'amortisseur peut être réalisé d'une seule pièce ou bien en
plusieurs éléments séparés que l'on assemble. Les matériaux peuvent
différer. Par exemple, les fibres formant l'armature de l'élément ressort et
ou semelle peuvent être différentes de l'élément formant la masselotte. Le
choix est conditionné par les propriétés recherchées d'un élément par
rapport à l'autre.
Conformément à une variante on incorpore, voir la figure 8, un ou plusieurs
inserts 116 dans la structure fibreuse de la masselotte 110 de l'amortisseur
100 en fonction de la masse volumique que l'on souhaite obtenir. Un insert
métallique permet d'augmenter la masse volumique, un insert à structure
alvéolaire, en forme de mousse, permet de réduire la masse volumique de
la masselotte. La structure de l'amortisseur, ressort 112 et semelle 113 par
ailleurs n'est pas différente de l'amortisseur 10
La figure 9 montre une autre variante de réalisation d'amortisseur 200 dans
laquelle on a réduit la surface en contact avec les plateformes à des zones,
telles que 211B1 et 211B2, d'étendue réduite et localisées le long de la
masselotte. Il s'agit de localiser l'effort sur les plateformes des aubes afin
d'améliorer l'efficacité de l'amortisseur. Ces zones peuvent être obtenues
par usinage de la surface de la masselotte.
La figure 10 montre une autre variante de réalisation de l'amortisseur selon
l'invention. L'amortisseur 300 comprend une masselotte additionnelle 317
fixée sur le ressort 312 en avant par rapport à la masselotte 311. Cette
solution permet lorsque cela est nécessaire de répartir les efforts
d'amortissement dynamique le long de la plateforme des aubes.
L'amortisseur 300 peut être réalisé en une seule pièce comme les
précédentes réalisations ou bien en plusieurs éléments fixés les uns aux
autres.
La structure de l'amortisseur permet d'en assurer un calibrage en masse
très précis. Avantageusement, on ajuste la masse de la masselotte par
enlèvement de matière en creusant une cavité autour du centre de gravité
dans l'axe d'inertie de la masselotte comme on le voit sur la figure 11. On
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perce la semelle en 13' et on vient creuser la cavité 19, que l'on voit en
transparence, le long de l'axe d'inertie J. Cet ajustement permet de réaliser
des amortisseurs identiques en masse avec une précision pouvant atteindre
0,5g. Afin de donner une marge de réglage et faciliter cet ajustement en
masse, on prévoit un surplus de matière à la fabrication situé autour du
centre de gravité. Tous les amortisseurs ainsi réalisés sont interchangeables
les uns avec les autres. Cela permet de limiter les écarts de distribution des
masses susceptibles de générer des balourds dans le rotor.
