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Pièce de révolution pour un rotor de turbomachine
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne une pièce de révolution pour un rotor
de turbomachine, et en particulier une pièce comportant à sa périphérie
une rangée annulaire de dents qui définissent entre elles des rainures de
logement de pieds d'aubes de rotor. Ce type de pièce est par exemple un
disque de rotor.
ETAT DE L'ART
L'état de l'art comprend les documents EP-A2-2 549 061, FR-A-485
943, US-A-4 093 399, US-A-2 920 864, US-A1-2007/020102 et US-A-5 474
421.
Un disque de rotor de turbomachine comprend à sa périphérie une
rangée annulaire de rainures brochées dans lesquelles sont emmanchées
des pieds d'aubes de rotor. Chaque aube comporte en général une pale
reliée par une plate forme à un pied. Ce pied comprend deux parties, une
partie radialement interne appelée bulbe et une partie radialement externe
appelée échasse. Le bulbe du pied est relié par son échasse à la plate-
forme de l'aube.
Le pied d'une aube peut avoir une forme en sapin ou en queue
d'aronde. Dans le cas d'un pied d'aube en queue d'aronde, son bulbe
comprend un lobe et, dans le cas d'un pied d'aube en sapin, son bulbe
comprend deux ou trois lobes. Chaque lobe est relié à un autre lobe ou à
l'échasse du pied par un col, c'est-à-dire une partie de plus faible section
ou épaisseur.
Ce type de disque à attaches brochées peut être utilisé dans un
compresseur ou une turbine de turbomachine.
Classiquement, les attaches brochées en sapin sont utilisées pour
des turbines relativement chargées, c'est-à-dire pour des turbines à fort
régime ou à forte section de veine, car il y a des contraintes plus
importantes à cause de la force centrifuge plus importante.
Date Reçue/Date Received 2021-06-22
CA 02943461 2016-09-21
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Plusieurs critères mécaniques sont à respecter dans ces attaches :
- les critères absolus, c'est-à-dire la tenue des aubes et des dents du
disque dans le domaine élastique ainsi que la tenue en fatigue vibratoire,
fatigue oligocyclique et fluage pour toutes les conditions de vol normales ;
- les critères relatifs, qui correspondent à la hiérarchie de rupture sur
l'ensemble du rotor. En effet, il y a une hiérarchisation des contraintes qui
doit être respectée dans l'aube et dans le disque. En cas de
dysfonctionnement du moteur, la section possédant la plus forte contrainte
de traction est la section la plus propice à la rupture. Le carter entourant
la
turbine doit retenir tous les éventuels débris émanant de la turbine, c'est
pourquoi plus le débris d'aube est important, et plus le carter sera massif
pour pouvoir le contenir. D'autre part, il ne doit pas y avoir de rupture de
la
dent du disque car cela pourrait provoquer une réaction en chaîne
conduisant à un relâchement d'une grande partie des aubes. Pour résumer,
en référence à la figure 3, la section avec la contrainte la plus forte doit
se
situer dans la pale de l'aube 10, les sections des cols inférieur 12 et
supérieur 14 du bulbe 16 doivent avoir des contraintes inférieures à celle
de la pale (o-bi < abs < o-bp (contrainte basse pale)), et les sections des
cols inférieur 18 et supérieur 20 de la dent 22 doivent avoir une contrainte
relativement plus faible que celle de l'aube 10 ramenées à la limite
élastique du matériau du disque 24 à la température de l'attache (o-di,s / o-e
du disque (limite élastique du matériau du disque) < o-bp / o-e de l'aube
(limite élastique du matériau de l'aube)).
Dans certaines turbomachines, les critères absolus sont respectés
mais pas la hiérarchie de rupture car soit la section est suffisante dans le
bulbe 16 mais pas dans la dent 22, soit la section est suffisante dans la
dent 22 mais pas dans le bulbe 16.
Une solution à ce problème consisterait à augmenter la taille des
sections dans les cols 12, 14 des bulbes 16 tout en augmentant la taille des
cols dans les dents 22. Or, la largeur ou dimension circonférentielle totale
de l'attache (dent + bulbe) est directement dictée par la forme de la veine
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ainsi que le nombre d'aubes 10. Modifier la veine provoquerait des pertes
de rendement de la turbine, ce qui conduirait à des pertes de performances
du moteur.
La présente invention propose une solution simple, efficace et
économique à ce problème.
EXPOSE DE L'INVENTION
Selon un premier aspect général, il est proposé une pièce de
révolution pour un rotor de turbomachine, présentant un axe de révolution
et comportant à sa périphérie une rangée annulaire de dents qui définissent
entre elles des rainures de logement de pieds d'aubes de rotor en sapin,
chaque dent comportant un premier flanc latéral comportant au moins deux
parties en saillie de retenue d'un pied d'aube, séparés l'un de l'autre par
une partie en creux, et un second flanc latéral comportant au moins deux
parties en saillie de retenue d'un pied d'aube adjacent, séparés l'un de
l'autre par une partie en creux, lesdites au moins deux parties en saillie du
premier flanc étant situées sur des circonférences centrées sur l'axe de
révolution de la pièce de révolution, et lesdites au moins deux parties en
saillie du second flanc étant situées sur des circonférences centrées sur
ledit axe de révolution, dans laquelle chaque dent présente, sur
sensiblement toute sa dimension longitudinale, un défaut de symétrie par
rapport à un plan longitudinal médian sensiblement radial, au moins une
desdites circonférences des parties en saillie du second flanc de chaque
dent étant située entre les circonférences des parties en saillie du premier
flanc, et décalée radialement de ces circonférences, chaque rainure
présentant, sur sensiblement toute sa dimension longitudinale, une
symétrie par rapport à un plan longitudinal médian sensiblement radial.
Selon un autre aspect, il est proposé un rotor de turbomachine,
comportant une pièce de révolution selon la présente invention et une
rangée annulaire d'aubes qui comportent chacune une pale reliée à un pied
en sapin qui est emmanché dans une des rainures de la pièce, chaque pied
comportant une échasse radialement externe et un bulbe radialement
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interne, caractérisé en ce que la rangée d'aubes comprend une première
série d'aubes ayant des échasses et une seconde série d'aubes ayant des
échasses de dimension radiale supérieure à celle des échasses des aubes
de la première série, chaque aube de la première série étant située entre
deux aubes de la seconde série, et chaque aube de la seconde série étant
située entre deux aubes de la première série.
Selon un autre aspect, il est proposé un module de turbomachine
comportant au moins une pièce de révolution selon la présente invention ou
au moins un rotor selon la présente invention.
Selon un autre aspect, il est proposé une turbomachine, comportant
au moins une pièce de révolution selon la présente invention ou au moins
un rotor selon la présente invention.
Des variantes, des exemples et des réalisations préférées de
l'invention sont décrits ci-dessous.
Par exemple, l'invention concerne aussi une pièce de révolution,
telle qu'un disque, pour un rotor de turbomachine, présentant un axe de
révolution et comportant à sa périphérie une rangée annulaire de dents qui
définissent entre elles des rainures de logement de pieds d'aubes de rotor
en sapin, chaque dent comportant un premier flanc latéral comportant au
moins deux parties en saillie de retenue d'un pied d'aube, séparés l'un de
l'autre par une partie en creux, et un second flanc latéral comportant au
moins deux parties en saillie de retenue d'un pied d'aube adjacent, séparés
l'un de l'autre par une partie en creux, lesdites au moins deux parties en
saillie du premier flanc étant situées sur des circonférences centrées sur
l'axe de révolution de la pièce de révolution, et lesdites au moins deux
parties en saillie du second flanc étant situées sur des circonférences
centrées sur ledit axe de révolution, caractérisée en ce que chaque dent
présente, sur sensiblement toute sa dimension longitudinale, un défaut de
symétrie par rapport à un plan longitudinal médian sensiblement radial, au
moins une desdites circonférences des parties en saillie du second flanc de
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chaque dent étant située entre les circonférences des parties en saillie du
premier flanc, et décalée radialement de ces circonférences.
Dans la présente demande, on entend par plan longitudinal médian
sensiblement radial d'un élément (tel qu'une dent ou une rainure) d'une
pièce de révolution, un plan qui s'étend le long d'un axe longitudinal de
l'élément et qui passe sensiblement au milieu de cet élément. Ce plan a
une orientation sensiblement radiale par rapport à un axe longitudinal ou de
révolution de la pièce. L'axe longitudinal de l'élément peut être
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sensiblement parallèle à l'axe longitudinal ou de révolution de la pièce.
Dans ce cas, le plan précité s'étend le long de l'axe longitudinal de la
pièce.
Dans la technique antérieure, les dents d'une pièce de révolution de
rotor, telle que d'un disque, présentent chacune une symétrie par rapport à
un plan longitudinal médian sensiblement radial. Au contraire, selon
l'invention, chaque dent de la pièce de rotor n'est pas symétrique par
rapport à un plan longitudinal médian sensiblement radial. Ceci permet de
résoudre le problème précité en facilitant une meilleure répartition des
concentrations de contraintes dans les dents de la pièce. Cela permet par
exemple d'avoir des largeurs ou dimensions circonférentielles aux cols des
dents du disque plus importantes. Les sections des dents du disque
peuvent être augmentées sans pour autant que soient diminuées les
sections des bulbes des pieds d'aubes.
L'invention permet notamment de concevoir une turbine beaucoup
plus chargée que dans la technique antérieure. Elle permet en outre
d'autoriser le montage et la retenue d'aubes ayant des pieds similaires (en
sapin) mais présentant des différences dimensionnelles.
Par opposition à la technique antérieure où on prévoit des aubes
avec échasses de grande dimension radiale et des aubes avec échasses
de plus petite dimension radiale pour un même disque de rotor, les
échasses peuvent ici avoir des dimensions radiales proches. Faire des
fixations à différentes hauteurs est pénalisant pour les échasses les plus
grandes car c'est un ajout de masse et il faut donc compenser par une
fixation plus grande. C'est pourquoi, il est particulièrement avantageux de
limiter le décalage pour avoir les gains sur l'élargissement des dents du
disque sans avoir de pénalité trop importante sur l'alourdissement des
aubes avec les échasses les plus grandes. Par une disposition des dents
telles que décrite dans la revendication principale, on parvient aux objectifs
de l'invention.
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Chaque rainure de la pièce peut présenter, sur sensiblement toute
sa dimension longitudinale, une symétrie par rapport à un plan longitudinal
médian sensiblement radial.
Dans un cas particulier de réalisation de l'invention, la circonférence
5 d'au moins une desdites parties en saillie du second flanc passe
sensiblement par une partie en creux du premier flanc. Les circonférences
de deux parties en saillie adjacentes du second flanc de chaque dent
peuvent passer sensiblement respectivement par deux parties en creux du
premier flanc de cette dent.
Les rainures peuvent présenter des profondeurs ou dimensions
radiales différentes.
De préférence, les rainures comprennent une première série de
rainures identiques régulièrement réparties autour de l'axe de révolution de
la pièce, et une seconde série de rainures identiques entre elles, différentes
des rainures de la première série et régulièrement réparties autour de l'axe
de révolution de la pièce, chaque rainure de la première série étant située
entre deux rainures de la seconde série, et chaque rainure de la seconde
série étant située entre deux rainures de la première série.
La présente invention concerne encore un rotor de turbomachine,
comportant une pièce annulaire telle que décrite ci-dessus et une rangée
annulaire d'aubes qui comportent chacune une pale reliée à un pied en
sapin qui est emmanché dans une rainure de la pièce, chaque pied
comportant une échasse radialement externe et un bulbe radialement
interne, caractérisé en ce que la rangée d'aubes comprend une première
série d'aubes ayant des échasses de dimension radiale D5 et une seconde
série d'aubes ayant des échasses de dimension radiale D6 supérieure à
D5, chaque aube de la première série étant située entre deux aubes de la
seconde série, et chaque aube de la seconde série étant située entre deux
aubes de la première série.
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La présente invention concerne également un module de
turbomachine, tel qu'un compresseur ou une turbine, comportant au moins
une pièce annulaire ou au moins un rotor tel que décrit ci-dessus.
La présente invention concerne enfin une turbomachine, comportant
au moins une pièce annulaire ou au moins un rotor tel que décrit ci-dessus.
DESCRIPTION DES FIGURES
L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques
et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la
description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux
dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un rotor de
turbomachine, et en particulier d'une roue de rotor, selon la technique
antérieure,
- la figure 2 est une vue schématique partielle en perspective et à plus
grande échelle du disque de la roue de rotor de la figure 1,
- la figure 3 est une vue schématique de dents d'un disque de rotor selon
la
technique antérieure,
- la figure 4 est une vue schématique de dents d'un disque de rotor selon
l'invention, et
- la figure 5 est une vue schématique similaire à celle de la figure 4 et
montrant une variante de réalisation de l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE
On se réfère d'abord aux figures 1 et 2 qui représentent une roue de
rotor 26 d'une turbomachine, cette roue comportant un disque 24 portant à
sa périphérie une rangée annulaire d'aubes 10.
Chaque aube 10 comprend une pale 28 reliée par une plate forme
à un pied 32 qui est emmanché dans une rainure 34 de la périphérie du
disque 24.
Le disque 24 comprend à sa périphérie une rangée annulaire de
30 dents 22 qui définissent entre elles les rainures 34 de réception des
pieds
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32 des aubes 10. Le nombre de rainures 34 ou de dents 22 du disque 24
est donc égal au nombre d'aubes 10 qu'il peut porter.
Les rainures 34 sont obtenues par brochage de la périphérie externe
du disque 24 et ont ici une orientation sensiblement parallèle à l'axe
longitudinal ou de révolution A du disque 24.
Comme cela est mieux visible en figure 3, les pieds d'aubes 32 ont
ici une forme en sapin à deux lobes 36. Un pied d'aube 32 comprend une
échasse 38 radialement externe et un bulbe 16 radialement interne qui est
relié par l'échasse 38 à la plate forme de l'aube 10.
Chaque pied d'aube 32 comprend deux cols 12, 14 (ou parties de
plus faible épaisseur ou section), un col inférieur 12 entre les deux lobes 36
du bulbe 16, et un col supérieur 14 entre le lobe supérieur et l'échasse 38.
Chaque pied 32 présente une symétrie par rapport à un plan longitudinal
médian sensiblement radial P1.
Chaque dent 22 du disque 24 comprend deux flancs latéraux 40 qui
sont conformés pour coopérer avec les pieds 32 d'aubes 10 adjacentes et
pour les retenir radialement dans les rainures 34.
Chaque flanc 40 d'une dent 22 comprend ici deux portées 42
respectivement supérieure et inférieure. La portée supérieure 42 forme une
face d'appui d'une face latérale du lobe supérieur d'un pied d'aube, et la
portée inférieure 42 forme une face d'appui d'une face latérale du lobe
inférieur de ce pied d'aube.
Les portées 42 d'un flanc 40 sont formées par des parties en saillie
qui s'étendent sur sensiblement toute la dimension longitudinale de la dent
22, comme cela est visible en figure 1. Les portées 42 d'un flanc 40 sont
séparées l'une de l'autre par une partie en creux qui s'étend également sur
sensiblement toute la dimension longitudinale de la dent 22.
Dans la technique antérieure, comme cela est visible en figure 3,
chaque dent 22 présente une symétrie par rapport à un plan longitudinal
médian sensiblement radial P2. Du fait de cette symétrie, les parties en
creux des flancs 40 d'une même dent 22 sont situées sensiblement sur une
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même circonférence Cl centrée sur l'axe A. Ces parties en creux
définissent un col supérieur 20 de la dent 22. La dent 22 comprend un col
inférieur 18 entre ses portées inférieures 42 et les fonds des rainures 34.
On comprend qu'il n'est pas possible d'augmenter la taille des
sections dans les cols 12, 14 des bulbes 16 tout en augmentant la taille des
cols 18, 20 dans les dents 22. On comprend également que les largeurs
des dents, au niveau de ses parties en creux (circonférence Cl), sont
faibles, ce qui a tendance à fragiliser leurs dents.
Comme cela est visible en figure 4, la présente invention permet de
remédier à ce problème grâce au fait que chaque dent 22' du disque 24'
présente, sur sensiblement toute sa dimension longitudinale, un défaut de
symétrie par rapport au plan longitudinal médian sensiblement radial P2.
Comme décrit précédemment, chaque dent 22' comprend deux
flancs latéraux 40', 40" qui sont conformés pour coopérer avec les pieds 32
d'aubes 10', 10" adjacentes et pour les retenir radialement dans les
rainures 34', 34".
Chaque flanc 40', 40" d'une dent 22' comprend deux portées 42
respectivement supérieure et inférieure. La portée supérieure 42 forme une
face d'appui d'une face latérale du lobe supérieur d'un pied d'aube, et la
portée inférieure 42 forme une face d'appui d'une face latérale du lobe
inférieur de ce pied d'aube.
Les portées 42 d'un flanc de dent 40', 40" sont formées par des
parties en saillie qui s'étendent sur sensiblement toute la dimension
longitudinale de la dent, comme cela est visible en figure 1. Les portées 42
d'un flanc 40', 40" sont séparées l'une de l'autre par une partie en creux qui
s'étend également sur sensiblement toute la dimension longitudinale de la
dent. La portée inférieure 42 d'un flanc 40', 40" est séparée du fond de la
rainure 34', 34" correspondante par une autre partie en creux qui s'étend
également sur sensiblement toute la dimension longitudinale de la dent.
Comme cela est visible dans le dessin, les parties en saillie
supérieures des flancs 40', 40" d'une même dent 22' ne sont pas situées
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sur une même circonférence. C'est également le cas de leurs parties en
saillie inférieures, de leurs parties en creux supérieure et de leurs parties
en creux inférieure. Au contraire, dans l'exemple représenté, la partie en
saillie supérieure d'un premier flanc 40" (ici le flanc gauche de la dent 22')
est située sur une circonférence C3 qui a un diamètre supérieur à celui de
la circonférence C4 passant par la partie en saillie supérieure du second
flanc 40" (le flanc droit de la dent 22'). Cette circonférence C4 a un
diamètre supérieur à celui de la circonférence C5 passant par la partie en
creux supérieure du premier flanc 40", qui a elle-même un diamètre
supérieur à celui de la circonférence C6 passant par la partie en creux
supérieure du second flanc 40'. Cette circonférence C6 a un diamètre
supérieur à celui de la circonférence C7 passant par la partie en saillie
inférieure du premier flanc 40", qui a elle-même un diamètre supérieur à
celui de la circonférence C8 passant par la partie en saillie inférieure du
second flanc 40'. Cette circonférence C8 passe sensiblement par la partie
en creux inférieure du premier flanc 40", et a un diamètre supérieur à celui
de la circonférence C9 passant par la partie en creux inférieure du second
flanc 40'.
Le décalage radial entre les parties en creux des flancs de chaque
dent permet d'augmenter la largeur des dents au niveau des ces parties en
creux et donc d'améliorer la tenue mécanique des dents.
De plus, comme cela est visible dans le dessin, les rainures 34', 34"
du disque 24' ne sont pas toutes identiques. Le disque 24 comprend des
rainures 34" de profondeur ou dimension radiale Dl, et des rainures 34' de
profondeur ou dimension radiale D2 qui est supérieure à Dl.
Les rainures 34' sont régulièrement réparties autour de l'axe
longitudinal du disque 24' et chaque rainure 34' est située entre deux
rainures 34". De même, les rainures 34" sont régulièrement réparties
autour de l'axe longitudinal du disque 24' et chaque rainure 34" est située
entre deux rainures 34'.
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Comme dans la technique antérieure, chaque rainure 34', 34" du
disque 24' présente, sur sensiblement toute sa dimension longitudinale,
une symétrie par rapport à son plan longitudinal médian sensiblement
radial P1.
5 Les aubes 10', 10" qui forment, avec le disque 24', une roue de rotor
ne sont pas non plus toutes identiques. La roue comprend des aubes 10'
dont les pieds ont chacun une dimension radiale D3, et des aubes 10" dont
les pieds ont chacun une dimension radiale D4 qui est supérieure à D3.
Les aubes 10' sont régulièrement réparties autour de l'axe
10 longitudinal du disque 24' et chaque aube 10' est située entre deux
aubes
10". De même, les aubes 10" sont régulièrement réparties autour de l'axe
longitudinal du disque 24' et chaque aube 10" est située entre deux aubes
10'.
Les bulbes 16' des aubes 10' sont sensiblement identiques à ceux
des aubes 10". Les pieds des aubes 10' diffèrent donc des pieds des
aubes 10" par leurs échasses 38', 38", et en particulier par la dimension
radiale de leurs échasses 38', 38". Les échasses 38' des aubes 10' ont une
dimension radiale D5 inférieure à celle D6 des échasses 38" des aubes
10".
Le montage des aubes 10', 10" sur le disque 24' est réalisé comme
dans la technique antérieure, par emmanchement des pieds des aubes
dans les rainures 34', 34" du disque 22', de façon à ce que les aubes 10"
dont les pieds ont la plus grande dimension radiale D4 soient montées
dans les rainures 34' de plus grande dimension radiale D2, et donc que les
aubes 10' dont les pieds ont la plus petite dimension radiale D3 soient
montées dans les rainures 34" de plus petite dimension radiale D1.
La figure 5 représente une variante de réalisation de l'invention qui
est similaire au mode de réalisation de la figure 4. La description qui
précède, relative à la figure 4 s'applique à la figure 5, dans la mesure où
elle n'est pas contredite par ce qui suit.
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Dans l'exemple représenté, les parties en saillie d'un des flancs 40',
40" de chaque dent sont alignées sensiblement en direction
circonférentielle avec les parties en creux de l'autre flanc de cette dent, et
leurs parties en creux sont également alignées sensiblement en direction
circonférentielle avec les parties en saillie de l'autre flanc.
La partie en saillie supérieure du second flanc 40' est située sur une
circonférence passant par la partie en creux supérieure du premier flanc
40". La partie en saillie inférieure du premier flanc 40" est située sur une
circonférence passant par une partie en creux du second flanc 40'. La
partie en saillie inférieure du second flanc 40' est située sur une
circonférence passant par la partie en creux inférieure du premier flanc 40".
Cette configuration permet à chaque dent d'avoir une largeur ou
dimension circonférentielle relativement constante sur toute son étendue
radiale, ce qui est avantageux en termes de tenue mécanique des dents.
