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WO 2012/020195 1 PCT/FR2011/051882
Dispositif de blocage d'un pied d'une aube de rotor
L'invention concerne le domaine des rotors de turbomachine et, plus
particulièrement, le maintien
des aubes de rotor sur un disque de rotor.
Un turboréacteur à soufflante avant et à double corps, par exemple, comprend
classiquement,
d'amont en aval, une soufflante, un étage compresseur basse pression, un étage
compresseur
haute pression, une chambre de combustion, un étage de turbine haute pression
et un étage de
turbine basse pression.
Par convention, dans la présente demande, les termes amont et aval
sont définis par
rapport au sens de circulation de l'air dans le turboréacteur. De même, par
convention dans la
présente demande, les termes intérieur et extérieur sont définis
radialement par rapport à
l'axe du moteur. Ainsi, un cylindre s'étendant selon l'axe du moteur comporte
une face intérieure
tournée vers l'axe du moteur et une surface extérieure, opposée à sa surface
intérieure.
De manière classique, en référence à la figure 1, un étage de turbine basse
pression, par exemple,
comprend des disques de rotor successifs 1 comportant chacun des rainures
axiales ou obliques
11 dans lesquelles sont engagées des aubes 2 par leurs pieds 3, les aubes 2
s'étendant
radialement vers l'extérieur par rapport à l'axe X du moteur.
Les aubes 2 sont retenues radialement dans les rainures par leurs pieds 3 en
forme de sapin, ce
qui permet en outre de ménager un espace entre le pied 3 et le fond de la
rainure pour permettre
une circulation d'air qui est guidée dans le corps des aubes pour les
ventiler. Les aubes 2 sont
retenues axialement en amont par un anneau d'étanchéité 4 comportant des
lamelles d'étanchéité,
l'anneau d'étanchéité 4 étant connu de l'homme du métier sous la désignation
anneau
labyrinthe .
Pour retenir les aubes 2 axialement en aval, un secteur d'anneau
circonférentiel 5 est monté entre
une gorge 6 du disque de rotor 1 et un crochet aval 7 du pied 3 d'aube 2.
Ainsi, en position
d'utilisation, le secteur d'anneau 5 bloque le déplacement axial de l'aube 2
vers l'aval, l'aube 2
demeurant solidaire du disque de rotor 1.
Actuellement, les pieds 3 des aubes 2 sont en matériau métallique. Pour
diminuer la masse du
moteur, il est proposé de former des pieds 3 en matériau composite. Le mode de
fixation actuel
d'un pied métallique ne peut pas être transposé pour la fixation d'un pied en
matériau composite.
En effet, un matériau composite traditionnel ne permet pas de former
simplement des zones
concaves dans le pied d'aube. Ainsi, il est difficile de former un crochet
aval dans le pied d'aube
pour assurer la rétention axiale en aval de l'aube par un secteur d'anneau. En
outre, la fabrication
d'un pied d'aube, ayant une forme en sapin, en matériau composite n'est pas
privilégiée. En effet,
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au cours du fonctionnement du moteur, des dilatations différentielles
apparaissent et les dents du
pied en forme de sapin ne sont plus en appui dans la rainure du disque de
rotor. La rétention
radiale de l'aube n'est pas satisfaisante.
Afin d'éliminer au moins certains de ces inconvénients, l'invention concerne
un dispositif de
blocage d'un pied d'une aube de rotor dans une rainure d'un disque de rotor
d'une turbomachine,
comportant :
- un secteur d'anneau circulaire destiné à être monté, transversalement
à l'axe de la
turbomachine, dans une gorge du disque de rotor ;
- au moins une cale de blocage, solidaire et orthogonale au secteur
d'anneau, s'étendant
parallèlement à l'axe du secteur d'anneau de manière à supporter radialement
le pied de
l'aube dans la rainure ; et
- au moins une dent de blocage s'étendant depuis le secteur d'anneau
radialement par
rapport à l'axe du secteur d'anneau de manière à bloquer le déplacement axial
du pied de
l'aube dans la rainure.
Grâce au dispositif, on peut avantageusement bloquer le pied d'une aube de
rotor en queue
d'aronde et ne comportant pas de crochet de blocage axial, en particulier, une
aube en matériau
composite. En outre, ce dispositif de montage simple permet de bloquer
radialement et axialement
une aube avec un disque de rotor selon l'art antérieur.
Un tel dispositif monobloc permet de garantir un positionnement correct de
chaque dent et de
chaque cale destinée à bloquer le pied d'aube. En outre, le dispositif est
rapide à monter dans le
rotor étant donné que chaque dispositif peut comporter plusieurs dents et
plusieurs cales de
blocage.
De préférence, le dispositif comporte des moyens de ventilation, ménagés dans
ledit secteur
d'anneau, agencés pour permettre une évacuation d'un flux d'air circulant
entre le fond de la
rainure et la cale de blocage. La cale de blocage permet de créer un espace de
ventilation entre le
pied d'aube et le fond de la rainure dans lequel circule un flux d'air qui est
évacué par lesdits
moyens de ventilation.
De préférence encore, les moyens de ventilation sont alignés avec la direction
selon laquelle
s'étend la dent de blocage. Ainsi, le flux d'air de ventilation refroidit la
cale de blocage, le pied
d'aube et le fond de la rainure qui sont alignés axialement avec la dent de
blocage.
Selon une forme de réalisation de l'invention, les moyens de ventilation se
présentent sous la
forme d'au moins un orifice de ventilation. Un orifice est simple à usiner
dans le secteur d'anneau
et permet l'évacuation du flux d'air de ventilation.
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Selon une autre forme de réalisation de l'invention, les moyens de ventilation
se présentent sous la
forme d'au moins une encoche de ventilation ménagée dans la partie du secteur
d'anneau
destinée à être insérée dans la gorge du disque de rotor.
Une encoche de ventilation permet d'alléger la masse du dispositif tout en
permettant l'évacuation
du flux d'air. De préférence, le secteur d'anneau comporte un bord intérieur
crénelé.
Selon un aspect de l'invention, le secteur d'anneau comporte une partie
radiale intérieure, destinée
à être montée dans la gorge du disque de rotor, et une partie radiale
extérieure, depuis laquelle
s'étend la dent de blocage, qui sont décalées axialement l'une par rapport à
l'autre selon l'axe
d'anneau.
De manière avantageuse, ce décalage permet de positionner de manière précise
le dispositif de
blocage sans créer de porte-à-faux important pour la cale de blocage par
rapport à sa fixation dans
la gorge. Un basculement du dispositif de blocage est alors limité.
L'invention vise également un rotor d'une turbomachine comprenant un disque de
rotor, au moins
une aube de rotor et au moins un dispositif de blocage tel que présenté
précédemment, le disque
de rotor comportant une rainure dans laquelle est logé un pied de l'aube et
une gorge dans
laquelle est monté le dispositif de blocage, la cale de blocage du dispositif
de blocage s'étendant
entre le pied d'aube et le fond de la rainure.
De préférence, le disque de rotor s'étendant axialement de l'amont vers
l'aval, la gorge est
ménagée à l'extrémité aval du disque de rotor de manière à bloquer un
déplacement axial vers
l'aval de l'aube dans la rainure.
Selon un aspect de l'invention, le pied de l'aube de rotor comporte une
enveloppe en matériau
composite.
Le pied d'aube en matériau composite, de préférence à matrice céramique, est
simple à fabriquer
et permet de former un rotor comportant tous les avantages d'un rotor selon
l'art antérieur avec
des aubes métalliques.
Selon un autre aspect de l'invention, le pied de l'aube de rotor possède une
forme en queue
d'aronde. Grâce au dispositif de blocage selon l'invention, l'aube peut être
bloquée radialement ce
qui empêche tout défaut de positionnement de l'aube dans son logement lorsque
le rotor est à
l'arrêt.
L'invention sera mieux comprise en référence au dessin annexé sur lequel :
- la figure 1 est une vue en coupe radiale d'un disque de rotor d'une
turbomachine dans
lequel est monté une aube de rotor selon l'art antérieur ;
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- la figure 2 est une vue en perspective d'une première forme de réalisation
d'un dispositif de
blocage selon l'invention ;
- la figure 3 est une vue en perspective d'un rotor selon l'invention
comportant un dispositif
de blocage selon la figure 2, le dispositif de blocage bloquant axialement une
unique aube
de rotor montée dans le disque de rotor ;
- la figure 4 est une vue en coupe radiale du rotor de la figure 3 selon l'axe
A-A ;
- la figure 5 est une vue en perspective d'une deuxième forme de réalisation
d'un dispositif
de blocage selon l'invention ; et
- la figure 6 est une vue en perspective d'une troisième forme de réalisation
d'un dispositif
de blocage selon l'invention.
L'invention va maintenant être présentée pour un rotor d'une turbomachine
formant un étage de
turbine basse pression. Le rotor comporte un disque de rotor de turbine basse
pression 1,
s'étendant axialement selon un axe X comme représenté sur la figure 3, dans
lequel sont formées
des rainures axiales ou obliques 11 dans lesquelles sont engagées des aubes 2
par leurs pieds 3,
les aubes 2 s'étendant radialement vers l'extérieur par rapport à l'axe X du
moteur. Le disque de
rotor 1 comporte une gorge annulaire 6 s'étendant radialement vers l'intérieur
ménagée en aval de
la rainure 11 du disque de rotor 1. L'invention est ici décrite pour un
blocage en aval mais il va de
soi qu'elle s'applique de manière similaire pour un blocage axial en amont.
Le rotor comporte en outre un dispositif de blocage 8 d'un pied 3 d'une aube
de rotor 2 dans une
rainure 11 du disque de rotor 1 qui va être maintenant présenté en référence
aux figures 2 à 6. De
manière préférée, le dispositif de blocage 8 comporte autant de cales de
blocage 82 que de dents
83. De préférence, chaque aube 2 de disque de rotor 1 est bloquée par une cale
82 et une dent de
blocage 83.
Le nombre de cales 82 est égal aux nombres d'aubes 2 à bloquer. Dans cet
exemple, le disque de
rotor 1 comporte 98 rainures 11 pour recevoir autant d'aubes 2. Dans cet
exemple, pour bloquer
les aubes 2 dans les rainures 11, on dispose de 11 dispositifs de blocage 8
dont 10 comportent
neuf cales 82 et dont un comporte huit cales 82, chaque dispositif 8
comportant autant de cales 82
que de dents de blocage 83.
Il va de soi que le nombre de cales 82 par dispositif 8 peut varier en
fonction du nombre d'aubes
du disque de rotor 1 ou du nombre de dispositifs 8 utilisés pour bloquer les
aubes 2 d'un disque de
rotor 1.
En référence à la figure 2, le dispositif de blocage 8 comporte, de manière
générale, un secteur
d'anneau circulaire 81, au moins une cale de blocage 82 et au moins une dent
de blocage 83 pour
bloquer axialement le pied 3 d'une aube de rotor 3 logée dans une rainure 11
du disque de rotor 1
tout en permettant la ventilation de la rainure 11.
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De manière plus précise, le secteur d'anneau circulaire 81 est destiné à être
monté,
transversalement à l'axe de la turbomachine, dans une gorge 6 du disque de
rotor 1. Par définition,
un secteur d'anneau circulaire est défini par rapport à un axe qui est désigné
par la suite axe
d'anneau S qui est orienté de l'arrière vers l'avant sur la figure 2 et qui
définit la direction axiale.
Par la suite, les termes avant et arrière sont définis par rapport à
l'axe d'anneau S.
Le secteur d'anneau 81 s'étend radialement par rapport à l'axe d'anneau S
selon la direction
radiale d'axe R, représenté sur la figure 2, qui est dirigé de l'intérieur
vers l'extérieur. Le secteur
d'anneau circulaire 81 possède un rayon de courbure constant et est aplati
dans la direction axiale
S, sa dimension radiale étant plus longue que sa dimension axiale.
Le secteur d'anneau 81 possède un angle ouvert de l'ordre de 30 mais il va de
soi que cet angle
peut être différent.
La partie radiale intérieure 84 du secteur d'anneau 81 est décalée axialement
par rapport à sa
partie radiale extérieure 85 comme représenté sur la figure 2. Autrement dit,
la partie radiale
intérieure 84 est en avant de la partie radiale extérieure 85 de manière à
permettre le logement de
l'extrémité radiale intérieure 84 dans la gorge 6 du disque de rotor 1 tout en
permettant à la partie
radiale extérieure 85 de venir s'appuyer radialement dans la rainure 11 du
disque de rotor 1
comme représenté sur la figure 3. Cette caractéristique sera détaillée par la
suite au cours de
l'exemple de mise en oeuvre de l'invention.
La cale de blocage 82 du dispositif de blocage 8, de forme rectangulaire, est
solidaire et
orthogonale au secteur d'anneau 81, la cale 82 s'étendant depuis la face
arrière du secteur
d'anneau 81, parallèlement à l'axe d'anneau S. La cale de blocage 82 est
agencée pour supporter
radialement le pied 3 d'aube 2 dans la rainure 11 du disque de rotor 1. En
référence à la figure 2,
la cale de blocage 82 est solidaire de la partie supérieure 85 du secteur
d'anneau 81 de manière à
surélever le pied 3 d'aube 2 par rapport au fond de la rainure 11 pour
permettre une circulation
d'air dans la rainure 11 du disque de rotor 1.
La cale de blocage 82 du dispositif de blocage 8 est aplatie selon la
direction radiale R, sa
dimension axiale étant plus longue que sa dimension radiale. La longueur de la
cale de blocage 82
définie selon l'axe d'anneau S est configurée pour supporter le pied 3 d'aube
2. A titre d'exemple,
la longueur de la cale de blocage 82 correspond à environ 80% de la longueur
du pied 3 d'aube 2
comme représenté sur la figure 4. Il va de soi que la longueur de la cale de
blocage 82 peut varier.
De préférence, la longueur de la cale de blocage 82 est au moins égale à la
moitié de la longueur
du pied d'aube 3 pour répartir les efforts sur la cale de blocage 82.
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La dent de blocage 83 du dispositif de blocage 8 est solidaire et orthogonale
à la cale de blocage
82. La dent de blocage 83, de forme rectangulaire, s'étend depuis la partie
supérieure 85 du
secteur d'anneau 81 selon la direction radiale R vers l'extérieur, c'est à
dire radialement par
rapport à l'axe du secteur d'anneau S, de manière à bloquer le déplacement
axial du pied d'aube 3
dans la rainure 11 du disque de rotor 1. La longueur de la dent 83, définie
selon l'axe radial R, est
configurée, dans cet exemple, pour s'étendre jusqu'au diamètre extérieur du
disque de rotor 1
lorsque le dispositif de blocage 8 est en position montée comme représenté sur
la figure 3.
Les dimensions de la dent de blocage 83, en particulier sa longueur et sa
largeur, sont définies
pour résister aux déplacements axiaux du pied 3 d'aube 2 lors d'une rotation
du rotor. La dent de
blocage 83 est agencée pour être alignée axialement avec la rainure 11 du
disque de rotor 1. De
préférence, la face arrière de la dent de blocage 83, appelée aussi face
d'arrêt, possède une
surface dont la dimension est inférieure à la section de la rainure 11 du
disque de rotor 1 comme
représenté sur la figure 3. Une telle dent de blocage 83 permet de remplir sa
fonction de blocage
axial tout en possédant une masse réduite du fait de ses dimensions réduites.
Selon une forme de
réalisation particulière non représentée, la dent de blocage 83 est
pliable/rétractable pour
permettre un montage simple du dispositif de blocage 8 dans la gorge 6, la
dent 83 n'étant
dépliée/sortie qu'après montage.
Le dispositif de blocage 8 comporte en outre des moyens de ventilation ménagés
dans le secteur
annulaire 81, de préférence, dans sa partie extérieure 85, entre la zone de
liaison de la cale de
blocage 82 et la partie intérieure 84 du secteur annulaire 81 comme représenté
sur la figure 4. Ces
moyens de ventilation se présentent sous la forme d'ouvertures traversant dans
la direction axiale
le secteur d'anneau 81 de manière à permettre l'évacuation d'un flux d'air F
circulant entre le fond
de la rainure 11 et la cale de blocage 82 comme représenté sur la figure 4.
De manière préférée, les moyens de ventilation sont alignés radialement avec
la dent de blocage
83 ce qui permet de bloquer axialement le pied 3 d'aube 2 tout en permettant
la ventilation de la
rainure 11.
Selon une première forme de réalisation, les moyens de ventilation se
présentent sous la forme
d'orifices traversant circulaires 91 comme représentés sur les figures 2 à 4
dont le diamètre est
calibré pour la ventilation. Des orifices circulaires 91 présentent l'avantage
d'être simples à usiner.
Selon une deuxième forme de réalisation, en référence à la figure 5, les
moyens de ventilation se
présentent sous la forme d'orifices traversant de section elliptique 92 dont
le petit diamètre s'étend,
de préférence, selon la direction radiale. Des orifices de section elliptique
92, réalisés par exemple
par un perçage incliné, présentent l'avantage d'offrir un débit d'air
important sans affecter la
résistance mécanique selon la direction radiale du secteur d'anneau 81. En
effet, la distance entre
le bord intérieur du secteur annulaire 81 et un orifice elliptique est plus
importante que la distance
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entre le bord intérieur du secteur annulaire 81 et un orifice circulaire ce
qui offre une meilleure
tenue mécanique.
Selon une troisième forme de réalisation, en référence à la figure 6, les
moyens de ventilation se
présentent sous la forme d'encoches 93 formées depuis la partie intérieure 84
du secteur d'anneau
81 jusque dans sa partie extérieure 85. Autrement dit, l'extrémité intérieure
du secteur d'anneau 81
est crénelée de manière à permettre la ventilation des rainures 11. Des
encoches 93 présentent
l'avantage d'alléger la masse du secteur d'anneau 81 tout en étant simple à
usiner par perçage.
Par ailleurs, les encoches 93 offrent un débit d'air de ventilation important.
Le montage d'un dispositif de blocage 8 dans le rotor va être décrit plus en
avant. Ce montage est
décrit en référence à un dispositif comportant des moyens de ventilation selon
la première forme
de réalisation (orifices circulaires). La description du procédé de montage
s'applique de manière
similaire aux autres formes de réalisation des moyens de ventilation.
En référence à la figure 3 représentant le disque de rotor 1 d'axe X, le
dispositif de blocage 8 de la
figure 2 est monté dans le disque de rotor 1 en plaçant les cales de blocage
82 axialement dans
les rainures 11 du disque de rotor 1 et en insérant la partie intérieure 84 du
dispositif de blocage 8
dans la gorge aval 6 du disque de rotor 1 de manière à ce que la partie
supérieure 85 du secteur
d'anneau 81 soit en appui radial dans le fond de la rainure 11 de manière à
ménager un espace de
circulation d'un flux d'air F entre la cale de blocage 82 et le fond de la
rainure 11. Le décalage axial
permet en outre d'éviter un basculement du dispositif de blocage 8 en limitant
le porte-à-faux du
dispositif de blocage 8. En effet, si l'aube 2 est en appui sur la cale 82, la
partie intérieure 84 du
dispositif de blocage 8 entre en contact avec la partie aval de la gorge 6 ce
qui bloque le
basculement vers l'amont de la cale 82. La cale de blocage 82 est parallèle au
fond de la rainure
11 une fois montée. La dent de blocage 83 s'étend radialement par rapport à
l'axe du moteur et est
alignée axialement avec la rainure 11.
En référence à la figure 4, les moyens de ventilation, ici des orifices
circulaires 91, s'étendent à mi-
hauteur de l'espace de circulation du flux d'air F entre la cale de blocage 82
et le fond de la rainure
11 ce qui permet d'assurer une bonne circulation d'air.
Le pied 3 d'aube 2 est ensuite inséré dans la rainure 11 par déplacement axial
de l'amont vers
l'aval de manière à ce que le pied 2 soit en appui sur la surface extérieure
de la cale de blocage 82
pour être retenu radialement et ainsi éviter un défaut de positionnement de
l'aube 2 dans le disque
1, en particulier, lorsque le moteur est à l'arrêt. Par ailleurs, le pied 3
d'aube 2 est en appui sur la
surface amont (surface d'arrêt) de la dent de blocage 83 pour être bloqué
axialement.
Grâce au dispositif de blocage 8 selon l'invention, il n'est pas nécessaire de
recourir à une aube
en pied de sapin ou de former un crochet dans le pied d'aube pour bloquer
axialement l'aube 2.
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De préférence, le pied 3 de l'aube de rotor 2 possède une forme simple en
queue d'aronde dont
l'enveloppe est en matériau composite. C'est le dispositif de blocage 8, et
non le pied 3 d'aube 2,
qui remplit les fonctions de blocage axial, de blocage radial et de
ventilation de la rainure 11 du
disque de rotor 1. Un tel pied 3 est simple à fabriquer et possède une masse
réduite.
De manière préférée, l'enveloppe du pied 3 d'aube 2 est en matériau composite
à matrice
céramique (CMC).
