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Roue de turbine équipée d'un dispositif de retenue axiale
verrouillant des pales par rapport à un disque.
L'invention concerne de façon générale les roues à pales dans
des turbines à gaz et vise plus particulièrement la retenue axiale des dites
pales par rapport à l'axe de la roue. Le domaine d'application de
l'invention est notamment celui des turbines à gaz industrielles et des
moteurs aéronautiques à turbine à gaz.
Une roue de turbine comprend classiquement une pluralité de
pales, un disque et un dispositif de retenue axiale des pales. Chacune des
pales présente généralement un profil de pale, une plateforme et une
attache. A la périphérie du disque sont montées les pales, l'attache de
chacune des pales étant engagée dans un logement s'ouvrant à la
périphérie du disque et s'étendant axialement entre deux faces opposées
du disque, les logements étant séparés par des dents. Le dispositif de
retenue axiale des pales verrouille axialement les pales par rapport à l'axe
de rotation du disque.
Dans les roues de turbine connues, les pales, en
fonctionnement, sont parfois animées de mouvements vibratoires ou
vibrations. Ces vibrations sont néfastes car elles peuvent conduire à des
instabilités dynamiques de la roue conduisant à la ruine de la roue ainsi
qu'à une usure prématurée des zones de contact entre les différents
éléments de la roue.
L'invention a pour but de proposer une roue de turbine dans
laquelle les pales subissent sensiblement moins de vibrations lors du
fonctionnement de la roue.
Ce but est atteint grâce au fait que dans le type de roue
précédemment cité, au moins l'une des pales vient en butée contre un
premier organe d'arrêt du disque pour bloquer ladite pale par rapport au
disque selon un premier sens axial, la plateforme de ladite pale comporte
une projection faisant saillie axialement au-delà de l'une des faces du
disque, ladite projection comportant un second organe d'arrêt, et la
projection axiale, le second organe d'arrêt et ladite face du disque forment
une gorge orientée vers l'axe du disque, ladite gorge étant destinée à
recevoir le dispositif de retenue axiale, de sorte que le dispositif de
retenue axiale, en position montée, vient en butée selon le premier sens
rial :.,,)rlti" e ond orpa iE ~'a I êt et ;.i:)n r e alite "ace dIj
r; econç sens axial opposé au premier yens axial, grâce d quoi ladit
pale est bloquée par rapport au disque selon le second sens axial.
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On comprend donc que le dispositif de retenue axiale verrouille
axialement la pale par rapport au disque. En effet, la pale est bloquée
axialement d'une part par le premier organe d'arrêt du disque et d'autre
part par le dispositif de retenue axiale. Le premier organe d'arrêt permet
de bloquer la pale axialement selon le premier sens axial, tandis que le
dispositif de retenue axiale permet de bloquer la pale axialement selon le
second sens axial. Par axial on entend une direction orientée selon
l'axe de la roue ou du disque. Bien entendu, dans la direction radiale, la
pale est retenue dans le logement par coopération de forme entre la pale
et deux dents du disque, de manière connue en soi.
Par exemple et de préférence, le premier sens axial est celui
dans lequel les pales sont insérées dans le logement du disque tandis que
le second sens axial est celui par lequel les pales peuvent être retirées du
disque.
La plateforme de la pale possède une projection axiale
comportant un second organe d'arrêt. La projection axiale est prévue pour
s'étendre axialement au-delà de l'une des faces du disque lorsque la pale
est montée sur le disque. Le second organe d'arrêt est situé sous la
plateforme et fait saillie radialement vers l'axe du disque.
Lorsque la pale est montée sur le disque, ladite face du disque,
la projection axiale et le second organe d'arrêt forment une gorge orientée
vers l'axe du disque. Ainsi, la face inférieure de la plateforme, opposée à
la face portant le profil de pale, forme le fond de la gorge tandis que ladite
face du disque et le second organe d'arrêt forment les bords latéraux de la
gorge. La gorge ainsi définie est destinée à recevoir le dispositif de
retenue axiale.
Le dispositif de retenue axiale est maintenu dans la gorge selon
le premier sens axial par le second organe d'arrêt et selon le second sens
axial par ladite face du disque. Le dispositif de retenue axiale est
également maintenu selon la direction radiale dans le sens centrifuge par
le fond de la gorge.
Lorsque la pale tend à se déplacer axialement selon le second
sens axial, le second organe d'arrêt vient en butée contre le dispositif de
r ten e axiale, .ce-dernier venant -) son tour en butée contre ladite face du
aisque. ~i ~ ,. a pale est retenue, taxiaierrtent seior, le second sens axial.
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De plus, lors de la rotation de la roue, la force centrifuge
appliquée au dispositif de retenue axiale, tend à plaquer le dispositif de
retenue axiale sur le fond de la gorge avec une certaine pression de
contact croissante avec la vitesse de rotation de la roue. Ceci présente un
double avantage. Tout d'abord, ce plaquage permet de maintenir le
dispositif de retenue axiale au fond de la gorge. En effet, le plaquage
permet de s'assurer que le dispositif de retenue axiale reste correctement
logé dans la gorge, entre les bords latéraux. Par conséquent, le dispositif
de retenue axiale peut difficilement se désengager de la gorge.
En outre, ce plaquage permet avantageusement un couplage
mécanique entre la pale et le dispositif de retenue axiale. La souplesse
relative du dispositif de retenue axiale par rapport à la rigidité de la pale
et la rigidité du disque permet un amortissement de la composante
azimutale des vibrations. En amortissant ainsi les vibrations de la pale,
l'amplitude des déplacements de la pale est diminuée, de sorte que la
ruine de la pale est avantageusement évitée, notamment lorsque les
vibrations vibrent à la fréquence de résonnance de la pale.
Grâce à l'invention, d`une part la retenue axiale des pales sur le
disque est correctement assurée et d'autre part les vibrations de la pale
sont amorties.
Selon un aspect avantageux de l'invention, au moins un
bossage est prévu entre le dispositif de retenue axiale et ladite pale pour
réaliser un contact mécanique entre la pale et le dispositif de retenue
axiale.
La présence d'un bossage entre la pale et le dispositif de
retenue axiale améliore le contact mécanique entre la pale et le dispositif
de retenue axiale, ledit contact mécanique permettant l'amortissement des
vibrations de la pale. En outre ce bossage peut éventuellement permettre
de freiner les éventuels mouvements du dispositif de retenue axiale selon
une direction azimutale, ce qui améliore la sûreté de la retenue axiale des
pales.
Selon une variante, le bossage est formé sur le dispositif de
retenue axiale.
elor une autre variante, le hossage est formé o! rq la
projection xia e, au fond de ladite gorge, Les(, à oirc sur la face ;gui est
~~E regard du dispositif de retenue axiale.
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Avantageusement, un renfoncement de forme complémentaire
au bossage est réalisé sur l'élément en regard du bossage, et formé de
sorte que le bossage vienne se loger dans le renfoncement.
On comprend donc que si le bossage est formé sur le dispositif
de retenue axiale, l'élément en regard du bossage est la plateforme et le
renfoncement est donc réalisé sous la plateforme. Inversement, si le
bossage est formé sous la plateforme, l'élément en regard du bossage est
le dispositif de retenue axiale et le renfoncement est donc réalisé au
niveau du dispositif de retenue axiale. Un renfoncement de forme
complémentaire au bossage permet d'améliorer encore le contact
mécanique entre la pale et le dispositif de retenue axiale en combinant les
avantages liés à la présence d'un bossage simple et les avantages liés à la
présence de surfaces en regard sans bossage. En effet le bossage permet
un contact permanent, et les surfaces en regard étant très proches grâce
au renfoncement de forme complémentaire au bossage permettent un
contact supplémentaire lors de la rotation de la roue du à la force
centrifuge. De plus, le fait que le bossage vienne se loger dans un
renfoncement, permet également d'empêcher la rotation du dispositif de
retenue axiale.
Préférentiellement, le bossage et/ou le renfoncement sont
réalisés sur une portion de la plateforme qui ne supporte pas radialement
le profil de pale.
Grâce à cette disposition du bossage par rapport au profil de
pale, on comprend que le bossage n'est pas situé à proximité d'une zone
supportant radialement le profil de pale, que le bossage soit disposé sous
la plateforme ou sur le dispositif de retenue axiale. Ainsi les contraintes
mécaniques résultant des interactions entre la pale et le dispositif de
retenue axiale sont appliquées dans une zone où la plateforme est
faiblement sollicitée du point de vue mécanique. En effet, les zones de la
plateforme proche du profil de pale sont classiquement sensiblement
sollicitées par le profil de pale.
Avantageusement, le disque présente un taquet anti-rotation
apte à bloquer tes mouvements azimutaux du dispositif de retenue axiale
par rapport au disque.
Un taquet art; rotation pE rm t i~ ass re eue le dispositif= de
retenue axiale n'entre pas lui-même en rotation Lors de la rotation de la
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roue. De plus, grâce au taquet anti rotation, le dispositif de retenue axiale
reste correctement positionné. Préférentiellement, ce taquet anti-rotation
est réalisé de telle sorte qu'il garantit l'équilibre de la roue. Dans ce cas,
le
taquet anti-rotation équilibre la masse du dispositif de retenue axiale qui
5 n'est pas nécessairement uniformément répartie sur toute la roue. Ainsi
l'ensemble composé par le dispositif de retenue axiale et le taquet anti-
rotation présente une masse uniformément répartie sur la roue et ne la
déséquilibre pas lorsque cette dernière entre en rotation.
Avantageusement, le disque présente en outre au moins un
taquet de sécurité apte à bloquer les mouvements centripètes du dispositif
de retenue axiale.
Un taquet de sécurité ainsi disposé permet de bloquer
radialement le dispositif de retenue axiale dans la gorge. La sûreté du
verrouillage axial est ainsi encore améliorée. De préférence, la roue selon
l'invention comporte trois taquets de sécurité uniformément répartis
radialement tous les 120 d'angle sur le disque.
Préférentiellement, le dispositif de retenue axiale est un jonc
annulaire fendu.
Ce jonc annulaire présente l'avantage d'être un organe unique
permettant de retenir l'ensemble des pales sur le disque. En outre, le fait
que le jonc soit fendu lui procure une certaine souplesse vis-à-vis des
déformations radiales, ce qui est avantageux du point de vue de
l'amortissement des vibrations azimutales des pales. Ainsi, le jonc est
avantageusement élastique, ce qui permet d'une part l'amortissement des
vibrations des pales, et d'autre part de faciliter l'opération de montage de
ce dernier sur la roue.
De plus, le choix d'un jonc annulaire comme dispositif de
retenue axiale permet de réaliser un couplage mécanique simultané du
jonc avec plusieurs pales. Outre l'aspect pratique que le jonc présente lors
du montage de la roue, le jonc réalise par ailleurs un amortissement
satisfaisant des vibrations de chaque pale ce qui permet d'éviter leur
ruine.
En outre, selon encore une autre variante, le jonc est
)ré ontrainr de ï-nanière être en contaci- avec unp ns5inr de conta `t
avec a iaateforme, ce cll; ermet de garantir 'fa osition du jonc ,a;
rapport a ia roue à l'arrêt de la machine.
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Avantageusement, le second organe d'arrêt forme un béquet,
et préférentiellement, le béquet forme une portion d'anneau s'étendant
sur au moins une portion de la longueur azimutale de la projection axiale
de la plateforme de pale.
Cette forme préférentielle du second organe d'arrêt permet de
répartir les efforts de retenue axiale au niveau de la plateforme de la pale
et donc d'éviter des pics locaux de contraintes mécaniques.
La présente invention concerne également une turbomachine
comportant une roue de turbine selon l'invention.
L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture
de la description détaillée faite ci-après de différents modes de réalisation
donnés à titre d'exemples non limitatifs. Cette description fait référence
aux figures annexées, sur lesquelles :
- la figure 1 est une vue d'ensemble d'une roue de turbine
selon l'invention,
- la figure 2A représente en éclaté une portion de roue de
turbine de la figure 1, et la figure 2B représente la même
portion de turbine assemblée,
- la figure 3 est une vue en coupe selon le plan III de la
figure 2B,
- la figure 4 est une vue en coupe selon le plan IV de la figure
2B,
- les figures 5A à 5E représentent différents modes de
réalisation de jonc de rétention axiale selon le plan de coupe
V de la figure 4, et
- la figure 6 représente une turbine équipée d'une roue de
turbine selon l'invention.
La figure 1 représente un exemple de réalisation d'une roue de
turbine 10 selon l'invention. La roue 10 est composée d'un disque 12 d'axe
A, de plusieurs pales 14 et d'un dispositif de retenue axiale 16. Dans cet
exemple, le dispositif de retenue axiale 16 est un jonc annulaire fendu.
Dans la suite de la description des modes de réalisation de l'invention, on
utilisera le terme jonc ou jonc fendu pour dispositif de retenue
axiaie .
., ,,,ù, ie des pals 14 présente une arrache 140 en forme de
pied de sapin, une plateforme 142 et un profil de pale 144. L'attache 140
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est engagée dans un logement 120 du disque 12. Les logements 120
s'étendent axialement entre deux faces opposées du disque, et sont
séparés par des dents 121. Chaque pale 14 est retenue radialement au
niveau de son attache 140 par les deux dents 121 adjacentes à l'attache.
Le disque 12 est équipé de trois taquets de sécurité 122
disposés à 120 d'angle l'un de l'autre sur le disque. Ces taquets de
sécurité 122 retiennent le jonc 16 dans sa position radiale par rapport au
disque 12 et aux pales 14. Le disque 12 est également équipé d'un taquet
anti-rotation 124 pour bloquer le jonc 16 dans sa position azimutale par
rapport au disque 12 et aux pales 14. Le taquet anti-rotation 124 est
inséré dans la fente du jonc 16.
La figure 2A représente une portion angulaire de la roue 10 de
la figure 1 en éclaté. Sur cette figure 2A, les premiers organes d'arrêt 126
et les seconds organes d'arrêt 146 sont visibles. Lorsque les pales sont
montées sur le disque 12 selon un premier sens axial X, les premiers
organes d'arrêt 126 sont logés dans des cavités 148 des pales 14.
Les seconds organes d'arrêt 146 sont disposés sur la face
inférieure de la plateforme 142 sur une projection axiale de la plateforme
150 faisant saillie par rapport à la face 128 du disque 12. Chaque second
organe d'arrêt 146 forme un béquet de sorte que lors du montage d'une
pale 14 sur le disque 12 depuis la face 130 du disque 12, l'attache de pale
140 peut glisser dans le logement 120 jusqu'à ce que le premier organe
d'arrêt 126 soit logé dans une cavité 148. Dans cet exemple, chaque
béquet présente un usinage supplémentaire sur ses rebords azimutaux
pour ne pas interférer avec les dents 121 lors du montage. Par la suite, on
utilisera le terme béquet pour second organe d'arrêt .
Dans cet exemple, chaque béquet 146 forme une portion
d'anneau, de sorte que lorsque les pales 14 sont montées sur le disque 12
l'ensemble des béquets 146 forme un anneau discontinu.
La figure 2B représente la portion de roue décrite dans la figure
2A de manière assemblée. La face inférieure de la projection axiale 150, la
face 128 du disque, et la face du béquet 146 en regard de la face 128 du
disque 12 (ou en regard de l'attache de pale 140) forment une gorge
orientée vert. Vaxe A du disque. L_e onc 16 est log dans cette orge
Le oloH ITag u iispositi~ de retenue axiale a être décrit f-u
référence aux ffigure,, 3 et 4. La figure 3 est une vue en coupe de
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l'exemple représenté sur la figure 2B selon le plan de coupe III. La pale 14
de la figure 3 est engagée dans son logement 120 selon le premier sens
axial X jusqu'à ce que l'une des faces de contact 152 de la plateforme 142
vienne en butée contre le premier organe d'arrêt 126 du disque 12. La
pale est donc bloquée selon le premier sens axial X.
Ensuite, comme on le voit sur la figure 4 (coupe selon le plan
IV de la figure 2B), le jonc 16 est disposé sous la projection 150, entre la
face 154 de l'attache de pale 140 qui est dans le prolongement de la face
128 du disque 12, et la face 156 du béquet 146 qui est en regard de la
face 154. Ainsi, la pale est retenue axialement selon le second sens axial Y
opposé au premier sens axial X, par le béquet 146 qui vient en butée
contre le jonc 16 qui lui-même vient en appui contre la face 128 du disque
12 et du premier organe d'arrêt 126 (cf. fig.3). Ainsi la pale est retenue
dans les deux sens axiaux opposés X et Y grâce à l'interaction du dispositif
de retenue axiale 16, d'une part avec le premier organe d'arrêt 126 et
d'autre part avec le second organe d'arrêt 146.
Toujours en référence à la figure 4, on notera que selon un
aspect avantageux de l'invention la plateforme 142 est munie d'au moins
un bossage 170. Ce bossage 170 est sur la face inférieure de la
plateforme 142, et plus particulièrement sur la face inférieure de la
projection axiale 150. Plus précisément, en considérant la gorge dans
laquelle le jonc 16 est logé, le bossage 170 est formé sur le fond de cette
gorge.
En outre, selon la direction radiale, le bossage 170 n'est pas
disposé à l'aplomb du profil de pale 144, c'est-à-dire que selon la direction
axiale, le profil de pale 144 et le bossage 170 sont décalés. En effet, le
profil de pale 144 est supportée radialement par la partie de la plateforme
soutenue par l'attache de la pale 140 et n'empiète pas sur la projection
axiale 150. Autrement dit, le bossage 170 n'est pas situé sur une partie de
la plateforme 142 qui supporte radialement le profil de pale 144.
Les figures SA à 5E représentent différentes variantes
d'interfaces jonc/plateforme selon le plan de coupe V de la figure 4.
La figure SA correspond au mode de réalisation représenté par
4. De id Même m manière que sur la fi~i_,i un seul hi ;;age 170
iÉ I {~ ~e té pal id i6gu e 5A. e:D 'rclfsee par
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g
un contact entre le bossage 170 et le jonc 16. La surface 160 du jonc 16
en regard du fond de la gorge 158 est sensiblement lisse.
La figure 5B représente un mode de réalisation alternatif dans
lequel, contrairement au mode de réalisation précédemment décrit, le jonc
16 présente une pluralité de bossages 162 positionnés selon la
circonférence du jonc (un seul bossage est représenté) tandis que le fond
de la gorge 158 est lisse.
Les figures 5C et 5D, respectivement similaires aux figures 5A
et 5B, représentent des bossages 170 et 162 disposés dans un
renfoncement de forme complémentaire ménagé en regard dudit bossage.
Dans un cas, celui de la figure 5C, les bossages 170 se trouvent sous les
plateformes 142 tandis que le jonc 16 présente des renfoncements de
forme complémentaire. Dans l'autre cas, celui de la figure 5D, les
bossages 162 sont réalisés sur la circonférence du jonc 16 tandis que les
renfoncements sont ménagés dans les plateformes de pale 142. Dans les
deux cas, le jonc 16 est alors avantageusement maintenu selon la
direction azimutale par l'interaction entre les bossages et les
renfoncements de forme complémentaire.
La figure 5E est une variante combinant la présence simultanée
de bossages et de renfoncements sur le jonc 16 et sur la projection 150.
La figure 6 représente une turbomachine 200 équipée d'une
roue de turbine selon l'invention. Sur cet exemple, la roue de turbine de
générateur de gaz 210 et la roue de turbine libre 220 sont conformes à la
présente invention.
