Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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Levier d'entraînement en rotation autour de son pivot d'aube de stator à
calage variable de turbomachines.
La présente invention concerne les turbomachines, telles qu'utilisées dans le
domaine aéronautique. Elle se rapporte aux aubes de stator à calage variable
de turbomachine, notamment de compresseur de moteur à turbine à gaz, et
plus particulièrement aux leviers de commande entrainant en rotation de
telles aubes autour de leur pivot.
Les moteurs à turbine à gaz comprennent une section formant compresseur
d'air alimentant une chambre de combustion qui produit des gaz chauds
entraînant en aval les étages de turbine. Le compresseur du moteur
comprend une pluralité de roues mobiles aubagées, séparées par des étages
successifs de roues aubagées statoriques formant redresseurs de flux gazeux.
Les aubes des premiers étages de redresseur sont en général à calage
variable, c'est-à-dire que la position angulaire de l'aube autour de son axe
radial, formant pivot, est réglée en fonction de points de mission pour
améliorer l'efficacité du compresseur. L'orientation des aubes à calage
variable est effectuée au moyen d'un mécanisme désigné mécanisme à
calage variable ou encore VSV pour Variable Stator Vane. Il existe plusieurs
configurations de ces mécanismes, mais globalement ceux-ci comportent
tous un ou plusieurs vérins fixés sur le carter du moteur, des barres de
synchronisation ou un arbre de commande, des anneaux entourant le moteur
et disposés transversalement par rapport à l'axe de ce dernier et des leviers
sensiblement axiaux, désignés aussi biellettes, reliant les anneaux à chacune
des aubes à calage variable. Les vérins entraînent en rotation les anneaux,
autour de l'axe moteur, qui font tourner de façon synchrone l'ensemble des
leviers autour des pivots des aubes.
Ces mécanismes sont soumis à la fois aux charges aérodynamiques
appliquées sur les aubes, qui sont importantes, et à des efforts résultant des
frottements dans les différentes liaisons. En particulier les leviers sont
soumis à des chargements statiques en flexion et torsion et à des
sollicitations dynamiques. L'ensemble de ces charges peut atteindre des
niveaux susceptibles d'être dommageables ; leur cumul notamment peut
entraîner la formation de fissures ou autre dommages. Compte tenu des
impératifs de tenue mécanique et de durée de vie qui leur sont assignés, les
amplitudes des vibrations, induites par ces charges, que ces pièces subissent
doivent rester faibles.
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Les pièces sont conçues et dimensionnées de manière à éviter la présence de
modes critiques dans leur plage de fonctionnement. Dans la pratique
cependant, il reste toujours quelques croisements et l'expérience, lors des
essais moteurs réalisés en fin de cycle de conception des pièces, a montré
que, dans certains cas, cela pouvait conduire à des initiations de criques
dans
les leviers. Le dimensionnement de la pièce doit alors être revu et modifié ce
qui est particulièrement long et coûteux. On est donc amené à prédire au plus
tôt dans le cycle de dimensionnement des pièces les niveaux de réponse
vibratoire afin de pouvoir prendre les mesures correctives qui s'imposent, le
plus en amont possible dans le processus de conception.
La présente invention a pour objet un moyen apportant de l'amortissement
structural dans le but de diminuer les niveaux des déformations vues par ces
pièces en fonctionnement et plus particulièrement d'atténuer les réponses
dynamiques de leviers d'entraînement en rotation d'aube à calage variable
sous sollicitation synchrone ou asynchrone, d'origine aérodynamique ou non,
par un apport d'amortissement dynamique.
L'invention concerne ainsi un levier d'entraînement en rotation autour de
son pivot d'une aube de stator à calage variable de turbomachine comprenant
trois zones : une première zone d'attache à un organe d'entraînement du
levier, une deuxième zone d'attache à ladite aube de stator à calage variable,
et une troisième zone de forme allongée entre la première zone et la
deuxième zone. Le levier selon l'invention est caractérisé par le fait que sur
au moins une portion de surface d'au moins l'une des dites zones du levier,
est appliqué un stratifié d'amortissement de vibrations, le stratifié
comprenant au moins une couche de matériau viscoélastique en contact avec
ladite portion de surface et une contre couche de matériau rigide.
L'organe d'entraînement est généralement un anneau entourant le carter de
la turbomachine, lui-même mis en mouvement de rotation autour de l'axe de
celle-ci par un vérin. Le levier est généralement monté en extrémité de
l'aube de façon à entraîner celle-ci par sa plateforme.
Le stratifié est soit collé sur ladite portion de surface soit maintenu
appliqué
par un moyen mécanique.
Pour garantir la robustesse de ces pièces vis-à-vis de la fatigue vibratoire,
la
solution de l'invention consiste donc à ajouter sur la structure des
dispositifs
spécifiques permettant de dissiper l'énergie vibratoire.
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L'originalité de la présente invention repose sur l'emploi de stratifiés en
forme de tuiles composés d'un sandwich viscoélastique avec une couche de
contraintes collées ou fixées sur la structure, dont la fonction est de
dissiper
l'énergie vibratoire de la pièce.
La dissipation de cette part d'énergie est obtenue par déformation en
cisaillement du matériau viscoélastique, entre la structure qui se déforme
sous sollicitation dynamique et la couche de contrainte entraînée par inertie.
Ces stratifiés en forme de tuiles en étant fixés ou collés sur les faces du
levier amortissent directement les modes de la structure, sans perturber les
performances globales de la machine.
La solution de l'invention présente l'avantage de permettre un accroissement
de l'amortissement structural de la pièce métallique considérée sans avoir à
la redimensionner, et donc de réduire les coûts et temps de développement et
de mise au point associée au produit.
Elle autorise également l'élargissement des domaines de conception
classique bornés par la satisfaction des prestations de tenue aux charges
alternées et, indirectement, des gains de masse.
L'invention est applicable quel que soit le type de chargement dynamique
croisement avec des harmoniques moteurs ou excitation asynchrone.
Selon un mode de réalisation de l'invention la dite zone du levier sur
laquelle est appliqué le stratifié est la troisième zone. En fonction des
considérations techniques, ladite portion de surface sur laquelle est appliqué
le stratifié d'amortissement de vibrations recouvre entièrement ladite
troisième zone.
Selon un autre mode de réalisation la dite zone du levier comprend les
deuxième et troisième zones.
Selon un autre mode de réalisation le levier comprenant une face
radialement supérieure et une face radialement inférieure, le stratifié est
appliqué sur au moins une portion de surface des dites faces radialement
inférieure ou supérieure. Par exemple, au moins l'une des dites faces
radialement inférieure ou supérieure est plane.
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Selon un autre mode de réalisation, la deuxième zone du levier comprenant
une face à un niveau radialement différent d'une face de la troisième zone, le
stratifié d'amortissement de vibrations recouvre au moins partiellement une
portion de surface de ladite face de la deuxième zone et une portion de
surface de ladite face de la troisième zone. Plus particulièrement, le
stratifié
comprend une partie intermédiaire entre ladite portion de surface de
deuxième zone et ladite portion de surface de troisième zone.
Eventuellement, ladite partie intermédiaire du stratifié d'amortissement de
vibrations est ajourée.
Selon un mode de réalisation, le stratifié d'amortissement de vibrations est
en forme de bande de largeur inférieure à la largeur de la troisième zone.
Eventuellement, le levier comprend au moins deux bandes de stratifié
d'amortissement de vibrations. Plus particulièrement, le levier comprend au
moins deux bandes de stratifié d'amortissement de vibrations disposées
parallèlement l'une à l'autre.
Conformément à un mode de réalisation, le stratifié est constitué d'un
empilement de couches viscoélastiques et de couches rigides alternées, et les
caractéristiques du matériau viscoélastique varient d'une couche à l'autre ou
bien les caractéristiques du matériau viscoélastique sont les mêmes d'une
couche à l'autre et les caractéristiques du matériau rigide varient d'une
couche à l'autre ou bien les caractéristiques du matériau rigide sont les
mêmes d'une couche rigide à l'autre.
L'invention concerne également une turbomachine comprenant au moins un
tel levier d'entraînement en rotation autour de son pivot d'une aube de stator
à calage variable. Plus particulièrement il s'agit d'un compresseur de moteur
à turbine à gaz comprenant au moins un tel levier d'entraînement en rotation
autour de son pivot d'une aube de redresseur à calage variable.
On décrit maintenant l'invention, plus en détail, en référence aux dessins
annexés sur lesquels :
La figure 1 représente schématiquement un turboréacteur en coupe
axiale susceptible d'incorporer un levier l'invention ;
La figure 2 montre en perspective la partie du moteur de la figure 1
correspondant à un étage de redresseurs au niveau du compresseur et
comprenant des aubes de stator à calage variable ;
La figure 3 montre un levier d'entraînement des aubes de stator à
calage variable de l'étage de redresseurs de la figure 2;
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La figure 4 montre en coupe le stratifié d'amortissement de vibrations
appliqué conformément à l'invention sur un levier de la figure 3;
Les figures 5 et 6 montrent, l'une en perspective l'autre en coupe le
long de celui-ci, le levier de la figure 3 sur lequel est appliqué le
stratifié
5 d'amortissement de vibrations ;
Les figures 7 et 8 montrent, l'une en perspective l'autre en coupe le
long de celui-ci, un autre mode d'application du stratifié d'amortissement de
vibrations sur le levier de la figure 3;
Les figures 9 et 10 montrent, l'une en perspective l'autre en coupe le
long de celui-ci, un autre mode d'application du stratifié d'amortissement de
vibrations sur le levier de la figure 3;
Les figures 11, 12 et 13 montrent le levier de la figure 3 avec
application de stratifiés d'amortissement de vibrations sur les faces
radialement inférieure et radialement supérieure de celui-ci ;
Les figures 14 et 15 montrent un autre mode de réalisation de
l'amortissement au moyen de stratifiés.
Sur la figure 1, on a représenté de manière schématique un exemple de
turbomachine sous la forme d'un turboréacteur à double flux et à double
corps. Une soufflante 2, à l'avant, alimente le moteur en air. L'air comprimé
par la soufflante est partagé en deux flux concentriques. Le flux secondaire
est évacué directement dans l'atmosphère sans autre apport d'énergie et
fournit une part essentielle de la poussée motrice. Le flux primaire est guidé
à travers plusieurs étages de compression vers la chambre de combustion 5
où il est mélangé au carburant et brûlé. Les gaz chauds alimentent les
différents étages de turbine 6 et 8 qui entraînent la soufflante et les roues
mobiles du compresseur. Les gaz sont ensuite évacués dans l'atmosphère. Un
tel moteur comprend plusieurs roues de redresseur : une roue en aval de la
soufflante pour redresser le flux secondaire avant son éjection, des roues
d'aubes statoriques 3' et 4' interposées entre les roues mobiles 3 et 4 des
compresseurs et des distributeurs 6' et 8' entre les roues des turbines aussi
bien à haute pression qu'à basse pression.
On voit sur la figure 2 une roue d'aubes statoriques à calage variable avec
son mécanisme d'entraînement, telle que ménagée sur les premiers étages du
compresseur 4.
Cette roue 10 comprend des aubes 11 disposées radialement par rapport à
l'axe du moteur 1, et montées pivotantes autour d'axes radiaux à l'intérieur
d'un secteur de carter 12. Chacune est solidaire, en rotation autour de son
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axe radial, d'un levier 20 disposé extérieurement au secteur de carter. Les
leviers sont mobiles en rotation autour de ces axes radiaux de façon
synchrone en étant entraînés par un ensemble comprenant un anneau 30
d'entraînement entourant le carter du moteur et auquel chacun des leviers et
fixé par son extrémité opposée à celle de l'axe radial sur lequel il est
monté.
Un moyen de fixation approprié est par exemple un pion 21 traversant
radialement à la fois l'anneau 30 et l'extrémité du levier. Un ou plusieurs
vérins non représentés commandent le mouvement en rotation de l'anneau
autour de l'axe du moteur. Ce mouvement est transmis aux leviers qui
pivotent simultanément autour des axes radiaux et entraînent en rotation les
aubes de stator autour de ces mêmes axes.
La figure 3 montre un levier 20. Il est de forme globalement allongée avec
deux faces : une face radialement inférieure 20i et une face radialement
supérieure 20e. Les termes inférieur et supérieur qualifient la position de
ces
faces l'une par rapport à l'autre depuis l'axe du moteur lorsque le levier est
en place sur le moteur. On distingue trois zones. La première zone 20A est
percée d'un trou dans lequel est glissé ici le pion 21. La deuxième zone 20B
est percée d'un orifice radial par lequel le levier est monté sur l'aube à
calage variable et assure son entraînement en rotation. Elle comprend une
face radialement inférieure 20Bi et une face radialement supérieure 20Be. La
troisième zone 20C, entre les deux premières, est de forme allongée, plus
mince que la zone 20B, avec une face radialement inférieure 20Ci et une
face radialement supérieure 20Ce. La forme du levier de la figure n'est
qu'un exemple. L'invention s'applique à toute forme équivalente.
La figure 4 représente en coupe un stratifié d'amortissement de vibrations
40. Le stratifié se présente sous la forme d'une tuile composée d'une
pluralité de couches empilées les unes sur les autres. Selon une forme de
réalisation, le stratifié comporte au moins une couche 42 d'un matériau
viscoélastique et au moins une couche 44 d'un matériau rigide. Le stratifié
est appliqué par la couche viscoélastique à la surface 41 d'une structure à
amortir.
La viscoélasticité est une propriété d'un solide ou d'un liquide qui,
lorsqu'il
est déformé, montre un comportement à la fois visqueux et élastique par une
dissipation et un stockage simultanés d'énergie mécanique.
Les caractéristiques, isotropes ou anisotropes, d'élasticité du matériau
rigide
de la contre couche 44 sont supérieures à celles, isotropes ou anisotropes, du
matériau viscoélastique dans la plage de fonctionnement thermique et
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fréquentielle souhaitée. A titre d'exemple non limitatif, le matériau de la
couche 44 peut être de type métallique ou composite, et le matériau de la
couche 42 de type caoutchouc, silicone, polymère, verre ou résine époxy. Le
matériau doit être efficace en termes de dissipation d'énergie dans la
configuration attendue correspondant à des plages de température et de
fréquence déterminées. Il est choisi à partir de ses modules caractéristiques
de cisaillement, exprimés en déformation et vitesse.
Selon d'autres formes de réalisation, le stratifié comporte plusieurs couches
42 de matériau viscoélastique et plusieurs contre couches de matériau rigide
44, qui sont disposées de façon alternée. L'exemple de la figure montre, de
façon non limitative, un stratifié d'amortissement de vibrations ayant trois
couches 42 de matériau viscoélastique et trois contre couches 44 de matériau
rigide. Selon les applications, les couches de matériau viscoélastique 42 et
les contre couches de matériau rigide 44 peuvent d'égales dimensions ou de
dimensions différentes. Lorsque le stratifié comporte plusieurs couches 42,
celles-ci peuvent présenter toutes les mêmes caractéristiques mécaniques ou
bien présenter des caractéristiques mécaniques différentes d'une couche à
l'autre. Lorsque le stratifié comporte plusieurs contre couches 44, celles-ci
peuvent présenter toutes les mêmes caractéristiques mécaniques ou bien
présenter des caractéristiques mécaniques différentes d'une couche à l'autre.
Les couches 42 et les couches 44 sont fixées les unes aux autres de
préférence par adhésion au moyen d'un film de colle ou par polymérisation.
Sur les figures 5 et 6, on a représenté un premier mode de réalisation de
l'invention. Un stratifié 40 est appliqué sur la face supérieure de la zone
20C
du levier 20. Le stratifié 40 comporte au moins une couche 42 de matériau
viscoélastique et au moins une contre couche 44 de matériau rigide. Le
stratifié est collé par la couche de matériau viscoélastique au levier 20.
Selon une autre forme de réalisation non représentée, il peut être maintenu
en appui contre la surface du levier par des moyens mécaniques : par
exemple, par un dispositif de pincement de part et d'autre de la partie 20 C,
par une liaison mécanique (vis/écrou, rivet, sertissage, ou autre) traversant
la
zone 20C du levier et le stratifié, par un effet de pré-contrainte obtenu au
montage par déformation de la géométrie au repos : fixation de la zone 55
sur la partie 20B par la liaison native du levier et appui avec précontrainte
de
la zone 54 sur la partie 20 C du levier.
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Le stratifié s'étend sur toute la surface de la troisième zone 20C du levier.
Sa
forme trapézoïdale correspond à la forme elle même trapézoïdale de la
troisième zone 20C du levier entre la première zone 20A et la deuxième
zone 20B. Dans cet exemple, la portion de surface sur laquelle est appliqué
le stratifié occupe toute la troisième zone. Cependant selon les besoins en
amortissement de vibrations, l'étendue de la portion de surface peut être
inférieure à celle de la troisième zone. Par ailleurs les épaisseurs et la
nature
des matériaux constituant les couches 42 et 44 sont déterminées en fonction
de l'amortissement souhaité.
Selon un autre mode de réalisation non représenté, le stratifié 40 est
appliqué
non pas sur la face supérieure de la zone 20C du levier mais sur la face
inférieure 20Ci de la zone 20 C du levier 20. Selon un autre mode de
réalisation représenté sur la figure 11, on a disposé un stratifié
d'amortissement de vibrations, 40 et 40', sur les deux faces de la troisième
zone du levier de façon symétrique.
Selon le mode de réalisation des figures 7 et 8, le stratifié d'amortissement
de vibrations 50 comprend une première partie 54 s'étendant sur au moins
une portion de surface de la face supérieure de la troisième zone 20 C du
levier et une deuxième partie 55 s'étendant sur au moins une portion de
surface de la face supérieure 20Be de la deuxième zone 20B. Dans cet
exemple la première partie 54 s'étend sur la majeure partie de la troisième
zone 20C. Dans la mesure où la surface supérieure de la deuxième zone est à
un niveau radialement plus élevé que le niveau de la surface radialement
supérieure 20Be de la troisième zone 20 C, le stratifié 50 comporte une
partie intermédiaire 56 reliant la première partie 54 à la deuxième partie 55.
Cette partie intermédiaire 56 améliore l'efficacité du dispositif en utilisant
les efforts de cisaillement de la couche viscoélastique. Le stratifié est
maintenu contre la surface du levier par collage par exemple au moins de
l'une des portions 54 et 55. Ici encore le stratifié peut être appliqué sur la
face inférieure du levier. Selon un autre mode de réalisation représenté sur
la
figure 12, on a disposé un stratifié d'amortissement de vibrations, 50 et 50',
sur les deux faces des deuxième et troisième zones du levier de façon
symétrique.
Selon le mode de réalisation des figures 9 et 10, le stratifié d'amortissement
de vibrations 60 comprend une première partie 64 s'étendant sur une portion
de surface de la face supérieure de la troisième zone 20C, une deuxième
partie 65 s'étendant sur une portion de surface de la face supérieure de la
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deuxième zone 20B. Le stratifié comporte une partie intermédiaire 66 reliant
la première partie 64 à la deuxième partie 65. Selon cet exemple la partie
intermédiaire est ajourée. Le stratifié est maintenu contre la surface du
levier
par collage par exemple au moins de l'une des portions 64 et 65. Ici encore
le stratifié peut être appliqué sur la face inférieure du levier. Selon un
autre
mode de réalisation représenté sur la figure 13, on a disposé un stratifié
d'amortissement de vibrations, 60 et 60', sur des portions de surface des
deux faces des deuxième et troisième zones du levier de façon symétrique.
Selon le mode de réalisation des figures 14 et 15 le stratifié est en forme de
bandes disposées le long du levier. Les bandes comprennent une première
partie 74 appliquée sur la troisième zone 20C, une deuxième partie 75 sur la
deuxième zone 20B et une partie intermédiaire 76 reliant les deux parties 74
et 75.
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