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CA 02742045 2011-04-28
WO 2010/052379 PCT/FR2009/001164
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BRIDE ANNULAIRE DE FIXATION D'UN ELEMENT DE ROTOR OU DE
STATOR DANS UNE TURBOMACHINE
L'invention se rapporte à des brides annulaires de fixation
d'éléments de rotor ou de stator dans une turbine, ainsi qu'à une
turbomachine comprenant une telle turbine.
Dans une turbomachine, les disques de rotor (de turbine par
exemple) sont reliés entre eux par des brides annulaires à leur périphérie
radialement interne, ces brides étant appliquées les unes sur les autres et
fixées ensemble par boulonnage.
D'autres éléments, tels que des supports annulaires de joints à
labyrinthe, peuvent aussi comporter à leur périphérie interne des brides
annulaires, qui sont serrées entre deux brides annulaires de disques de
rotor et fixées par les mêmes boulons que les disques de rotor.
Ces brides annulaires sont en général festonnées, c'est-à-dire
comportent une alternance de parties pleines et de parties creuses pour
réduire leur masse. Les trous de passage des boulons de fixation sont
formés dans les parties pleines.
Pour assurer la fixation de plusieurs brides juxtaposées, il faut que
les trous de passage formés dans les parties pleines des brides soient tous
alignés pour éviter que les parties creuses d'une des brides soient
décalées angulairement et se retrouvent alignées avec les trous de
passage de boulons formés dans les parties pleines des autres brides, ce
qui conduirait à serrer cette bride entre deux autres brides et sans la fixer
aux autres brides.
Dans la demande FR 0802918 de la demanderesse, il est proposé
qu'au moins un fond de partie creuse de la périphérie interne soit situé
radialement à l'intérieur d'un cercle centré sur l'axe de la bride et tangent
extérieurement aux orifices des parties pleines. Ainsi, lorsqu'une bride est
décalée angulairement de telle manière que ses orifices ne sont pas
alignés avec les orifices des autres brides, le fond d'au moins une partie
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creuse de cette bride est situé sur le passage d'au moins un boulon de
fixation et empêche son insertion dans les orifices des autres brides, évitant
ainsi tout risque de mauvais montage de cette bride.
On a constaté qu'une telle partie creuse de détrompage induit une
modification du flux des contraintes tangentielles dans la bride, ce qui
conduit à une augmentation des contraintes au niveau des parties pleines
adjacentes à la partie creuse de détrompage. Ces contraintes sont
maximales dans les zones des parties pleines adjacentes à la partie creuse
de détrompage qui sont raccordées aux parties creuses suivantes. On
observe également une augmentation des contraintes au niveau des
orifices des parties pleines adjacentes à la partie creuse de détrompage.
Cette augmentation des contraintes locales peut conduire à la
formation de criques ou fissures dans les zones de concentration de
contraintes, ce qui limite la durée de vie de la bride festonnée.
L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple,
économique et efficace à ce problème.
Elle propose à cet effet, une bride annulaire radiale d'un élément de
rotor ou de stator d'une turbine pour turbomachine, comprenant sur une
périphérie interne (ou externe, respectivement) une alternance de parties
pleines et de parties creuses, les parties pleines comportant des orifices de
passage de boulons de fixation, les fonds des parties creuses étant
sensiblement plats et le fond d'au moins une partie creuse de détrompage
de la périphérie interne (ou externe, respectivement) étant situé
radialement à l'intérieur (ou à l'extérieur, respectivement) d'un cercle
centré
sur l'axe de la bride et tangent extérieurement (ou intérieurement,
respectivement) aux orifices des parties pleines, caractérisée en ce que les
deux parties creuses situées de part et d'autre de la partie creuse de
détrompage ont un fond de forme incurvée concave situé radialement à
l'extérieur (ou l'intérieur, respectivement) par rapport aux fonds des autres
parties creuses.
La réalisation de fonds qui sont incurvés concaves et non plus plats
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de part et d'autre de la partie creuse de détrompage ainsi que le
positionnement de ces fonds incurvés concaves radialement vers l'extérieur
(ou l'intérieur, respectivement) par rapport aux fonds plats des autres
parties creuses, permet de répartir les contraintes tangentielles sur la
longueur de chaque fond incurvé concave.
L'invention évite ainsi une augmentation des contraintes
tangentielles au bord des orifices des parties pleines adjacentes à la partie
creuse de détrompage ainsi que dans les zones de raccordement de ces
parties pleines adjacentes aux parties creuses incurvée concaves.
Les fonds incurvés concaves des deux parties creuses sont de
préférence en arc de cercle, de rayon R2.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les fonds incurvés
concaves des deux parties creuses sont raccordés aux parties pleines
adjacentes par des arcs de cercle de rayon R1, le rayon R2 du fond incurvé
concave desdites deux parties creuses étant supérieur au rayon R1 des
raccordements aux parties pleines adjacentes.
Avantageusement, le rayon R2 du fond incurvé concave desdites
deux parties creuses est supérieur ou égal à trois fois le rayon R1 des
raccordements aux parties pleines adjacentes.
Le rayon R1 des raccordements peut être compris entre 4 et 6 mm
et les fonds incurvés concaves desdites deux parties creuses peuvent avoir
un rayon de l'ordre de 18 mm.
L'invention concerne également une turbine basse-pression pour
turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une bride
annulaire telle que décrite précédemment.
L'invention concerne encore une turbomachine, telle qu'un
turboréacteur ou un turbopropulseur, caractérisée en ce qu'elle comprend
une turbine basse-pression du type décrit ci-dessus.
L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, avantages et
caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description
suivante faite à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins
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annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une demi-vue schématique partielle en coupe axiale
d'une turbine basse-pression ;
- la figure 2 est une vue schématique partielle de face d'une bride
annulaire radiale comprenant une partie creuse de détrompage selon la
technique antérieure, illustrant un positionnement angulaire correct ;
- la figure 3 est une vue schématique partielle de face d'une bride
annulaire radiale selon l'invention ;
- la figure 3a est une vue agrandie du détail Ma de la figure 3 ;
- la figure 4 est une vue schématique partielle de face d'un autre mode de
réalisation d'une bride annulaire radiale selon l'invention.
On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente un rotor de turbine
basse-pression d'axe 10 comprenant une alternance d'aubes mobiles 12 et
d'aubes fixes 14 logées dans un carter externe 16. Les extrémités
radialement internes des aubes mobiles 12 sont fixées à la périphérie
externe de disques 18, 20, 22, 24 de rotor. Chaque disque 18, 20, 22, 24
comprend à sa périphérie externe des parois tronconiques amont 26 et aval
28 de liaison aux autres disques au moyen de brides annulaires 30, 32
s'étendant radialement vers l'intérieur et fixées l'une à l'autre par des
boulons 33. L'ensemble de disques est relié à un arbre de turbine 34 par
l'intermédiaire d'un cône d'entraînement 36 comprenant une bride
annulaire 38 serrée entre les brides annulaires 30, 32 des disques 20 et 22.
Afin d'éviter une circulation d'air parasite entre la périphérie interne
d'une rangée d'aubes fixes 14 et les parois tronconiques aval 28 et amont
26 des disques, une bride annulaire radiale 38 portant à sa périphérie
externe un joint à labyrinthe 40 est intercalée entre les brides radiales 30,
32 des parois tronconiques aval 28 et amont 26 des disques, le joint à
labyrinthe 40 coopérant avec une piste de matériau abradable 42 montée
sur la périphérie interne d'une rangée d'aubes fixes 14.
Les brides annulaires radiales 30, 32 des parois tronconiques amont
26 et aval 28 et la bride radiale 38 d'un joint à labyrinthe 40 sont
festonnées
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pour réduire leur masse et comprennent une alternance de parties creuses
et de parties pleines. La figure 2 représente l'assemblage d'une bride
annulaire radiale 30 d'une paroi tronconique amont et d'une bride radiale
38 d'un joint à labyrinthe, les parties creuses 44, 46 et les parties pleines
5 48, 49, 50 de la bride 38 du joint à labyrinthe et de la bride annulaire
radiale
30 étant alignées axialement, respectivement.
Les parties creuses 44, 46 de la bride radiale 38 ont un fond
sensiblement plat 52, 54 et sont raccordées aux parties pleines 48, 49 par
des zones incurvées 56, 57. Les parties pleines 48, 49 ont une forme
arrondie et comportent des orifices 58 destinés à recevoir des boulons de
fixation permettant de fixer ensemble les brides annulaires 30, 32 des
parois tronconiques amont et aval et la bride annulaire 38 du joint à
labyrinthe.
Le positionnement correct de la bride 38 du joint à labyrinthe entre
les brides annulaires 30, 32 des parois tronconiques est assuré grâce au
fait que le fond 54 d'au moins une partie creuse 46 de la bride 38 du joint à
labyrinthe est situé radialement à l'intérieur d'un cercle 60 centré sur l'axe
de la bride 38 et tangent extérieurement aux orifices 58 des parties pleines
(figure 2).
Ainsi, lors du montage de la bride 38 du joint à labyrinthe entre les
deux brides annulaires 30, 32 des parois tronconiques avec un décalage
angulaire tel que ses parties creuses 44, 46 sont alignées axialement avec
les parties pleines 50 des brides annulaires 30, 32 des parois tronconiques,
le fond 54 de la partie creuse 46 est situé sur le passage d'un boulon, ce
qui rend impossible l'insertion de boulons de fixation dans les orifices 58
des parties pleines des brides annulaires des parois tronconiques.
Toutefois, l'intégration d'une partie creuse de détrompage 46 induit
une modification du flux de contraintes tangentielles 62 dans la bride
radiale 38 du joint à labyrinthe. En effet, du fait du décalage radialement
vers l'intérieur du fond 54 d'au moins une partie creuse 46, le flux de
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contraintes tangentielles 62 est également décalé radialement vers
l'intérieur au niveau de la partie creuse de détrompage 46.
Cette modification du flux conduit à une augmentation des
contraintes dans les parties pleines 49 adjacentes à la partie creuse de
détrompage 46. Les contraintes sont maximales dans les zones de
raccordement 57 des parties pleines 49 avec les parties creuses 44 situées
de part et d'autre de la partie creuse de détrompage 46. On observe
également une augmentation des contraintes tangentielles dans les parties
64 des bords des orifices 58 des parties pleines adjacentes 49 qui sont
situées circonférentiellement en regard des zones de raccordement 57 de
contraintes maximales précitées.
Cette modification de flux de contraintes peut induire la formation de
criques ou de fissures et donc avoir un effet néfaste sur la tenue
mécanique en fonctionnement de cette bride.
Selon l'invention, ces inconvénients sont évités grâce au fait que les
deux parties creuses 66 situées de part et d'autre de la partie creuse de
détrompage 46 ont un fond 68 de forme incurvée concave qui est situé
radialement à l'extérieur par rapport au fond 70 des autres parties creuses
72 (figure 3).
Les contraintes tangentielles sont ainsi réparties sur les longueurs
des fonds incurvés concaves 68 des parties creuses 66 situées de part et
d'autre de la partie creuse de détrompage 46, ce qui évite d'augmenter les
contraintes dans les zones 57 raccordant les fonds incurvés concaves 68
aux parties pleines 49 adjacentes à la partie creuse de détrompage 46. Le
niveau de contrainte est également diminué au bord des orifices 58 de ces
parties pleines adjacentes 49.
Dans une variante de réalisation de l'invention représentée en figure
4, le festonnage est réalisé sur la périphérie externe de la bride annulaire.
Dans ce cas, la partie creuse de détrompage 74 a un fond plat 73 qui est
situé radialement à l'extérieur d'un cercle 75 centré sur l'axe de la bride et
tangent intérieurement aux orifices 58 des parties pleines 48, 49. Les
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parties creuses 76 situées de part et d'autre de la partie creuse de
détrompage 74 ont un fond 78 de forme incurvée concave situé
radialement à l'intérieur par rapport aux fonds plats 80 des autres parties
creuses 82.
Les fonds incurvés concaves 68, 78 de la périphérie interne ou
externe sont des arcs de cercle de rayon R2 raccordés aux parties pleines
adjacentes 48, 49 par des arcs de cercle 56, 57 de rayon R1 inférieurs au
rayon R2 des fonds incurvés concaves
Le rayon R2 des fonds incurvés concaves 68, 78 est supérieur ou
égal à trois fois le rayon R1 des arcs de cercle de raccordement 56, 57 aux
parties pleines adjacentes 48, 49.
Le rayon R1 peut être compris entre 4 et 6 millimètres.
Dans une autre variante de l'invention, la bride annulaire 38
comprend au moins une partie creuse de détrompage 46, 74 sur sa
périphérie interne ou externe et les autres parties creuses 72, 82 ont toutes
un fond incurvé concave 68, 78 tel que décrit précédemment.
Dans une réalisation particulière de l'invention où le festonnage est
réalisé sur la périphérie externe de la bride annulaire, la distance séparant
les centres de deux orifices 58 diamétralement opposés est de 530
millimètres. Les fonds incurvés concaves 78 s'étendent sur une distance
d'arc d'environ 15 millimètres et ont un rayon R2 de l'ordre de 18 mm.
La réalisation de fonds incurvés concaves 68, 78 tel que décrit
précédemment peut être réalisée de façon simple sur des brides
comprenant déjà une partie creuse de détrompage 46, 74 car il suffit
d'usiner davantage les parties creuses 66, 76 situées de part et d'autre de
la partie creuse de détrompage 46, 74.
