Dispositif de limitation du débattement angulaire d'aubes montées sur un disque de rotor de turbomachine

Abstract

 Le dispositif de limitation comporte des moyens de calage disposés radialement entre chaque couple d'aubes adjacentes le plus haut possible sur l'échasse de chaque aube l'ajustement calculé entre les moyens de calage et les deux échasses adjacentes étant apte à limiter le débattement angulaire de chaque aube autour de son axe longitudinal à sa valeur maximale tolérée en autorotation.
Application aux turboréacteurs d'aviation.

Description

[0001] Le secteur technique de la présente invention est celui des turbomachines et plus précisément des moyens de fixation et de limitation de débattement angulaire des aubes de rotor.

[0002] De telles aubes sont fixées de façon connue sur le pourtour d'un disque de rotor et comprennent traditionnellement sous une plate forme et séparé d'elle par une échasse, un pied en forme de sapin ou en queue d'aronde venant se loger dans une rainure correspondante du disque de rotor. Pour des raisons de montage, lorsqu'il s'agit d'aubes à nageoires ou talons périphériques, le concepteur est amené à prévoir un espace important entre le pied de l'aube et le fond de la rainure ; Cet espace est occupé par une cale axiale qui assure un positionnement correct du pied de l'aube dans les rainures.

[0003] Un montage de ce genre est montré par exemple dans le brevet français 2.345.605 au nom de la demanderesse.

[0004] Les aubes de ce type sont donc susceptibles au repos d'un débattement angulaire relativement important de part et d'autre du plan radial comprenant le grand axe de l'aube, ce débattement étant maintenu à une valeur donnée par le jeu calculé entre les plates-formes des aubes adjacentes.

[0005] Toutefois, des problèmes se posent pour les aubes de soufflante ou de compresseur basse pression de turbomachine, notamment de turboréacteur d'aviation car le rotor de soufflante ou de compresseur basse pression se trouvant situé en amont du turboréacteur, peut être amené à subir des chocs dûs à l'ingestion d'oiseaux en vol et sous l'effort tangentiel du choc sur l'aube, celle-ci subit une flexion et est soumise également à une rotation autour de son grand axe en raison du grand degré de liberté en rotation autorisé au pied de l'aube ainsi qu'il a été vu plus haut.

[0006] Si la masse de l'oiseau ingéré est importante, l'énergie du choc peut être suffisante pour conduire à des fragmentations partielles d'une ou plusieurs aubes, voire même à leur rupture totale, ce qui entraîne en outre des destructures des étages du compresseur en aval

[0007] Cet inconvénient est encore accentué pour les aubes de soufflante possédant des nageoires à mi-hauteur de l'aube, car sous l'effet de l'effort tangentiel dû au choc, les nageoires adjacentes se chevauchent, ce qui amène presque à coup sûr à la destruction des aubes de soufflante et par conséquent à la destruction partielle ou totale des étages aval de compresseur, ce qui peut conduire à l'arrêt complet du turboréacteur et dans le pire des cas, si l'avion est monoréacteur, amener à la perte de l'appareil.

[0008] Un exemple de ce genre de montage est donné par le brevet FR 2 286 282 qui montre des aubes de rotor dont la plate forme est posée sur les rebords d'une cage, celle-ci étant formée par deux flasques l'un amont, l'autre aval reliés entre eux par des barreaux étroits axiaux disposés sous les plates formes dans un espace sur deux laissé libre entre les échasses, le pied d'aube étant enfilé dans une rainure du disque et la cage vissée sur le disque de rotor. Un tel dispositif où le pied d'aube n'est pas calé dans sa rainure a pour inconvénients de permettre une rotation importante de l'aube dans la rainure du disque et de favoriser des phénomènes vibratoires importants entre les aubes et la cage sur laquelle repose les plates-formes.

[0009] On a donc tenté de supprimer ces vibrations notamment en disposant sous les plates-formes d'aubes dans l'espace laissé libre entre les échasses des cales plaquées sous la plate-forme, soit par la force centrifuge lors de la rotation du rotor, ainsi que le divulguent les brevets GB 670 665 ou US 4 182 598 ou encore US 4 101 245, soit par un moyen élastique comme le montre le brevet FR 2 527 260 au nom de la demanderesse.

[0010] Toutefois si ces dispositifs remplissent une fonction anti-vibratoire en limitant le déplacement radial des aubes, ils n'empêchent généralement pas le débattement angulaire de celles-ci sous l'effet d'un choc. De plus ces dispositifs ne peuvent absorber l'énergie du choc sur une aube pour la transmettre et la répartir par exemple sur tout un secteur de disque où cette énergie serait dissipée.

[0011] Un des buts de l'invention est donc de limiter en fonctionnement le débattement angulaire d'une aube de rotor de turboréacteur, notamment d'une aube de soufflante ou de compresseur basse pression et plus particulièrement d'une aube à nageoires latérales, afin d'empêcher le risque de chevauchement des nageoires sous l'effet d'un choc accidentel.

[0012] Un autre but de l'invention est de fournir un dispositif qui soit apte à supporter l'énergie du choc subi par une aube, lors d'une ingestion accidentelle d'oiseau en vol par exemple et d'amortir cet impact en faisant supporter l'effort subi par la liaison disque-tambour par une bride spécifique du disque ou du tambour, selon une variante de l'invention ou par les deux ou trois aubes adjacentes à celle qui a subi le choc, selon une autre variante.

[0013] Un but annexe de l'invention est de présenter un dispositif qui, outre les avantages précédemment cités, permette l'amortissement des vibrations subies par les aubes.

[0014] L'invention a également pour but dans une variante d'exécution de fournir un moyen simple présentant les avantages cités et apte à être adapté sur des disques de rotor existants et ne nécessitant que des modifications de détail des disques de rotor, facilement exécutables dans un atelier d'entretien et n'imposant pas d'immobilisation longue et couteuse du turboréacteur.

[0015] L'invention a donc pour objet un dispositif de limitation de débattement augulaire d'aubes de rotor de turbomachine du type comprenant une série d'aubes radiales montées sur le pourtour d'un disque de rotor, les aubes comprenant sous une plate-forme un pied séparé de la plate-forme par une échasse, le pied venant se loger dans une rainure du pourtour du disque de rotor, deux rainures adjacentes définissant entre elles une oreille du disque.

[0016] Selon l'invention, le dispositif comporte des moyens de calage disposés entre chaque couple d'aubes adjacentes radialement le plus haut possible surl'échasse de chaque aube, l'ajustement calculé entre les moyens de calage et les deux échasses adjacentes étant apte à limiter le débattement angulaire de chaque aube autour de son axe longitudinal à sa valeur maximale tolérée en autorotation.

[0017] Selon une caractéristique importante, les moyens de calage sont solidaires d'un moyen de liaison intermédiaire fixé sur le disque de rotor et apte à absorber une partie de l'effort subi par une aube lors d'un choc accidentel et à le répartir sur un secteur angulaire du rotor.

[0018] Selon une autre caractéristique principale de l'invention, le moyen de liaison intermédiaire est constitué par un flasque annulaire comportant une extension radiale plane, le flasque étant disposé en aval du disque et rendu solidaire de celui ci et les moyens de calage sont constitués par des prolongements de l'extension radiale du flasque, lesdits prolongements étant de section transversale rectangulaire disposés parallèlement à l'axe de rotation du rotor dans les espaces libres entre chaque couple d'échasses adjacentes et réalisées de façon monobloc avec la dite extension radiale plane du flasque, la largeur de chacun des prolongements étant sensiblement égale à celle de l'espace libre entre les échasses.

[0019] L'invention sera mieux comprise et des variantes de réalisation explicitées dans le complément de description qui va suivre et des planches de dessins représentant des modes de réalisation de l'invention sans que celle-ci soit limitée par les seules planches représentées parmi lesquelles :

- la figure 1 montre une vue du montage d'une aube de soufflante sur un disque de rotor incorporant le dispositif de limitation de débattement selon un premier mode de réalisation dans lequel les efforts subis par une aube sont repris par les boulons de fixation disque-­bride, vu selon une coupe radiale du disque passant par une des oreilles de celui-ci.

- la figure 2, montre une vue en perspective du montage de la figure 1, tandis que la figure 2a représente un secteur de 2 aubes à nageoires incluant le dispositif selon l'invention.

- la figure 3 montre en coupe une variante du mode de réalisation précédent.

- la figure 4 montre en coupe une deuxiéme variante dans laquelle les efforts subis par une aube sont transmis par l'anneau constituant le dispositif de limitation du débattement aux 2 ou 3 aubes adjacentes, ce qui permet de ne pas solliciter la liaison boulonnée.

- La figure 5 montre en perspective arrière un deuxième mode de réalisation de l'invention dans lequel la limitation de débattement est effectuée par des cavaliers portés par les oreilles du disque.

- la figure 6 montre en coupe au niveau d'une des oreilles du disque une variante de ce deuxième mode de réalisation incorporant des moyens d'amortissement des vibrations subies par les aubes.

- la figure 7a présente en vue selon AA de la figure 6 les moyens d'amortissement de vibration et la figure 7b en présente une section rabattue suivant BB de la figure 7a.

- la figure 8 montre une réalisation de moyens d'amortissement adaptables au mode de réalisation de la figure 5.

[0020] En référence aux figures 1 et 2, on a représenté de façon schématisée une aube de soufflante 1 à échasse 2 comportant une plate-forme 3 dont le talon 4 est monté avec jeu de façon connue dans une rainure 5 du disque de rotor 6. Les pieds 4 des aubes 1, à l'arrêt, reposent sur les cales 7 disposées en fond de rainure 5 ; le jeu entre les faces supérieures 8 du talon et la face correspondante 9 de la rainure 5 ainsi que le jeu "e" entre l'échasse et la partie supérieure de la rainure permettent à l'aube 1 en autorotation, un débattement angulaire d'environ 4 degrés autour du plan diamétral longitudinal du rotor, contenant le grand axe de l'aube. En fonctionnement, le talon d'aube 4 a ses faces 8 plaquées par la force centrifuge contre les faces 9 de la partie supérieure de la rainure 5. De ce fait, les faces latérales 10 des plates formes 3 des aubes adjacentes ainsi que les faces latérales 11 des nageoires 12 se trouvent sensiblement au contact l'une de l'autre.

[0021] Pour éviter que lors d'un choc accidentel en fonctionnement, sur une des aubes 1, celle ci ne se déstabilise, entre en vibration et/ou subisse une flexion sous l'effet de l'effort tangentiel dû au choc, on dispose sur le disque de rotor le dispositif de limitation de débattement angulaire selon l'invention.

[0022] Dans le mode de réalisation des figures 1 et 2 le dispositif comporte des moyens de calage constitués par des dents 13 portées par un moyen de liaison intermédiaire 14. Ce dernier est réalisé sous la forme d'un flasque annulaire aval comprenant une extension circulaire radiale plane 14 sur le pourtour intérieur de laquelle sont réalisés des alésages 15 qui en permettent le montage en aval du disque 6 et de la bride 16 qui relie l'étage de soufflante au premier étage de rotor du compresseur basse pression. Le disque 6, la bride 16 et le flasque 14 sont solidarisés entre aux par des boulons 17 traversant les oreilles 18 du disque, des alésages de la bride et les alésages 15 du flasque aval constituant les moyens de liaison intermédiaire.

[0023] Les dents 13 constituant les moyens de calage sont réalisées sous la forme de prolongements amont de l'extension radiale plane du flasque 14, ces dents ayant une section droite sensiblement rectangulaire et étant disposées parallèlement à l'axe de rotation du rotor ou, si la plate-forme 3 est fortement inclinée vers l'amont, ainsi que les représentent les figures 1 et 2, parallèlement à la face inférieure de la plate-forme. Ces dents 13 positionnées le plus haut possible sur l'échasse s'encastrent dans l'espace laissé libre entre les échasses, le jeu entre les échasses et la dent étant calculé le plus faible possible afin de limiter le débattement angulaire de l'aube à sa valeur maximale tolérée en autorotation. La section transversale des dents 13, l'épaisseur du flasque 14 et l'alésage 15 réalisé sans jeu avec le boulon 17 sont dimensionnés pour donner au flasque une structure suffisamment résistante pour transmettre et reprendre par les boulons de liaison disque-bride, l'effort subi par une aube lors d'un choc accidentel.

[0024] Le flasque 14 remplit également une fonction d'amortissement des vibrations subies par les aubes. Pour ce faire, il comporte sur la périphérie de son extension radiale plane un prolongement tronconique 19 incliné vers l'aval comprenant une portée circulaire inclinée 20 possédant une courbure correspondant à celle de la face aval inférieure 21 de la plate-forme 3. Lorsque le flasque est serré sur le disque 6 par les boulons 17, la face 20 du flasque vient en appui contre, et exerce une pression sur la face inférieure 21 des plates-formes 3, sous l'action des efforts centrifuges assurant ainsi l'amortissement des vibrations subies par les aubes.

[0025] En outre le dispositif limiteur de débattement assure une fonction d'étanchéité car il évite les recirculations entre échasses.

[0026] En fonction de la géométrie du disque et du tambour et selon que le flasque est disposé entre le disque et le tambour, ou derrière la bride du tambour, il sera constitué en une ou deux parties semi-circulaires.

[0027] Dans la variante d'exécution de la figure 3, le flasque 14 est réalisé en une seule pièce annulaire et disposé entre le disque 6 et la bride 16, sa structure globale (dents 13 de calage angulaire et amortissement par appui d'une portée 20 sous la plate-forme) restant identique avec la variante précédemment décrite.

[0028] A la figure 4, a été représenté un autre mode de réalisation du flasque annulaire aval comportant les moyens de calage selon l'invention. Dans cette version, le flasque 14' n'est pas fixé sur le disque par des boulons de serrage. Il est constitué d'une simple portée annulaire 14' plane portant les dents 13 et est centré sur la face circulaire externe 23 de la bride 16.

[0029] Une saignée circulaire 24 permet, par une adaptation judicieuse des tolérances de fabrication, de maintenir le flasque 14' serré axialement, entre les deux brides de la liaison disque-tambour.

[0030] Ainsi, dans ce mode de réalisation de l'invention, la reprise de l'effort subi par une aube s'effectue par les aubes adjacentes, l'ensemble du flasque 14' se déplaçant lorsque l'aube recevant le choc vient heurter la dent 13 voisine.

[0031] De ce fait, ce mode de réalisation permet d'amortir l'effort sur deux ou trois aubes car les efforts sont repris intégralement par les aubes adjacentes sans surcharge du disque et du tambour.

[0032] Sur la figure 5, on a schématisé en perspective un autre mode de réalisation de l'invention vu en aval du disque de rotor. Dans ce mode de réalisation, les moyens de calage et les moyens de liaison intermédiaires sont constitués par des cavaliers 30 en forme de "U" disposés à cheval sur la partie supérieure de chaque oreille 18 du disque, la base du U constituant les moyens de liaison intermédiaire et étant fixés sur les oreilles 18 par les boulons 17 de liaison disque 6-bride 16 (non représentés sur la figure 5), tandis que les branches 31 du U constituent les moyens de calage selon l'invention.
Il est déjà connu de faire reprendre les efforts subis par les aubes directement par les oreilles du disque, celles-ci étant usinées de telle sorte que le jeu entre elles et les échasses soit suffisamment faible pour limiter le débattement des aubes.

[0033] Toutefois, l'usinage précis des alvéoles n'est pas aisé à réaliser lorsque l'on veut leur faire assurer cette fonction. En outre, lorsque le dispositif est mis en oeuvre par ingestion, le risque est grand de voir les oreilles du disque se déformer, ce qui amène à des réparations fort couteuses.

[0034] Les cavaliers, tels qu'ils sont prévus dans la présente invention permettent de résoudre ces problèmes car leur usinage est plus aisé que celui des alvéoles du disque et car ils permettent une meilleure limitation du débattement parce qu'il est possible de les positionner très haut sur l'oreille du disque, ceci étant dû à la dissociation de la fonction de limitation de débattement par rapport au disque en comparaison avec la solution antérieure de limitation directe par les oreilles du disque.

[0035] La base 30 du cavalier est disposée sur la face amont de l'oreille 18 dont les faces latérales 32 sont fraisées à la dimension intérieure du cavalier. On voit sur la figure 5 que l'inclinaison habituelle des faces latérales 33 autoriserait en l'absence de cavalier un débattement angulaire 2 α à l'échasse 2 de l'aube 1.

[0036] Le choix judicieux de l'épaisseur "e" des branches 31 du cavalier (figure 5) permet de limiter le débattement angulaire de l'aube 1 à une valeur au plus égale à sa valeur maximale autorisée en auto-rotation. Un tel moyen de calage a pour avantage de pouvoir aisément être adapté à un disque de rotor existant, par simple usinage des faces latérales des oreilles 32 du disque de rotor 6, ce qui peut être aisément effectué dans un atelier d'entretien sans immobilisation excessive du moteur et sans outillages spéciaux ou complexes.
Ce mode de réalisation du moyen de limitation de débattement angulaire selon l'invention constitue donc un perfectionnement simple à mettre en oeuvre et peu coûteux aux rotors de soufflante ou de compresseurs basse pression des turbomachines existantes.

[0037] A ce type de cavaliers peuvent être adjoints ainsi que cela est montré aux figures 6, 7a, 7b, des moyens d'amortissement des vibrations subies par les aubes, ces moyens étant constitués par une masselotte 34 de forme générale cylindrique libre de coulisser radialement dans un fourreau cylindrique 35 d'orientation radiale porté par le cavalier 30, soit au moyen d'une patte de fixation 36 solidarisée au cavalier par le boulon de serrage 17 (figure 6), soit que le fourreau 35 et le cavalier 30 aient été réalisés monobloc (figure 7a). La masselotte 34 comporte sur sa périphérie une rainure longitudinale 37 coopérant avec un ergot 38 du fourreau 35 pour ne permettre à la masselotte qu'un seul degré de liberté en coulissement radial de telle sorte que la masselotte soit plaquée sous la plate-forme 3 par la force centrifuge lors de la rotation du rotor et vienne exercer sur la plate-forme un effort antagoniste aux vibrations qu'elle supporte.

[0038] Dans une autre variante d'utilisation des cavaliers de la figure 5, les moyens d'amortissment des vibrations peuvent être constitués par un flasque tronconique 40 fixé par des vis 42 sur la bride 16 festonnée en 41 du tambour 22, le diamètre externe du tronc de cône étant conformé en arrondi 43 pour venir prendre appui contre un arrondi correspondant de la face inférieure aval de la plate-forme 3 (figure 8).

[0039] Ce moyen d'amortissement peut également être utilisé en combinaison avec la variante de la figure 4 à flasque aval limiteur de débattement centré sur le diamètre externe de la bride 16.

[0040] Les moyens d'amortissement (flasques 14, 14' ou 40) remplissent également une fonction d'étanchéité entre la partie amont de l'échasse de l'aube de souffflante et l'étage de compresseur situé en aval.

[0041] Les divers modes de réalisation de l'invention testés en soufflerie lors d'essais d'ingestion d'oiseaux se sont révélés particulièrement efficaces en évitant le chevauchement des nageoires de soufflante sous l'effet du choc, ce qui a évité la destruction de l'aube soumise au choc ainsi que des étages aval de compresseur.

[0042] Le mode de réalisation de la figure 5 présente pour avantage supplémentaire d'être adaptable aux moteurs existants par un usinage simple des oreilles du disque et d'en faciliter grandement la réparation lors l'ingestion accidentelle.

Revendications

1 - Dispositif de limitation de débattement angulaire d'aubes montées sur un disque de rotor de turbo­machine du type comprenant une série d'aubes radiales (1) montées sur le pourtour d'un disque de rotor (6), les aubes comprenant sous une plate-forme (3) un pied séparé de la plate-forme par une échasse (2), le pied venant se loger dans une rainure du pourtour du disque de rotor, deux rainures adjacentes définissant entre elles une oreille (18) du disque, dispositif caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de calage (13, 31) disposés entre chaque couple d'aubes adjacentes radialement le plus haut possible sur l'échasse (2) de chaque aube, l'ajustement calculé entre les moyens de calage et les deux échasses adjacentes étant apte à limiter le débattement angulaire de chaque aube autour de son axe longitudinal à sa valeur maximale tolérée en autorotation, et en ce que les moyens de calage sont portés par un moyen de liaison intermédiaire (14, 30) fixé sur le disque de rotor et apte à absorber une partie de l'effort subi par une aube lors d'un choc accidentel et à le répartir sur un secteur angulaire du rotor.

2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de liaison intermédiaire est constitué par un flasque annulaire comportant une extension radiale plane (14 14'), le flasque étant disposé en aval du disque du rotor (6) et rendu solidaire dudit disque et en ce que les moyens de calage sont constitués par des prolongements (13) de l'extension radiale du flasque lesdits prolongements étant de section transversale rectangulaire disposés parallèlement à l'axe de rotation du rotor dans les espaces libres entre chaque couple d'échasses adjacentes et réalisés de façon monobloc avec ladite extension radiale plane (14, 14') du flasque, la largeur de chacun des prolongements (13) étant sensiblement égale à celle de l'espace libre entre deux échasses.

3 - Dispositif selon la revendication 2, pour disque de rotor coopérant avec une bride circulaire aval (16) fixée au disque du rotor par des boulons (17) caractérisé en ce que le flasque annulaire (14) est disposé entre le disque (6) et la bride (16) et est solidarisé à l'ensemble disque-bride par les boulons (17) coopérant sans jeu avec des alésages (15) du flasque régulièrement répartis sur son pourtour.

4 - Dispositif selon la revendication 2 pour disque de rotor coopérant avec une bride (16) circulaire aval fixée au disque du rotor par des boulons (17) et comportant sur sa face circulaire externe (23) une saignée circulaire de largeur "1", caractérisé en ce que le flasque annulaire (14') comporte une portée circulaire interne (25) d'épaisseur "1" en ce que le flasque (14') est centré sur la face circulaire externe (23) de la bride et en ce qu'il est maintenu serré entre le disque et la bride par coopération des boulons (17) et du calcul adéquat du jeu entre la portée circulaire du flasque et la saignée correspondante de la bride.

5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4 caractérisé en ce que le flasque aval (14) est séparé en deux demi-flasques semi-circulaires.

6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5 caractérisé en ce que le flasque annulaire comporte sur la périphérie de son extension radiale plane (14) un prolongement tronconique (19) comportant une portée circulaire inclinée (20) prenant appui sous la plate-forme de chaque aube du rotor pour amortir les vibrations occasionnées sur les aubes lors d'un choc accidentel.

7 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens de calage et le moyen de liaison intermédiaire sont constitués par des cavaliers (30, 31) en forme de "U" disposés à cheval sur les oreilles du disque du rotor et fixés sur celles-ci par des boulons de serrage (17), l'épaisseur latérale des branches (31) du U étant dimensionnée de façon à limiter le débattement angulaire de chaque aube à sa valeur maximale tolérée en autorotation.

8 - Dispositif selon la revendication 7 comprenant des moyens pour amortir les vibrations occasionnées sur les aubes lors d'un choc accidentel, caractérisé en ce que lesdits moyens sont constitués par une masselotte cylindrique (34) libre de coulisser radialement dans un fourreau cylindrique (35) d'orientation radiale, solidaire du cavalier (30), la masselotte comportant une rainure longitudinale (37) coopérant avec un ergot de guidage (38) du fourreau et étant apte à être plaquée sous la plate-forme (3) de l'aube par centrifugation lors de la rotation du rotor.

Dessins