EP1114916A1 - Agencement de retenue axiale d'aubes dans un disque - Google Patents

Agencement de retenue axiale d'aubes dans un disque Download PDF

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EP1114916A1
EP1114916A1 EP01400007A EP01400007A EP1114916A1 EP 1114916 A1 EP1114916 A1 EP 1114916A1 EP 01400007 A EP01400007 A EP 01400007A EP 01400007 A EP01400007 A EP 01400007A EP 1114916 A1 EP1114916 A1 EP 1114916A1
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EP
European Patent Office
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disc
dawn
wedging
pieces
arrangement according
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EP01400007A
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EP1114916B1 (fr
Inventor
Michel Antoine Brioude
Charles Jean Pierre Douguet
Jack Pierre Lauvergnat
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Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
SNECMA Moteurs SA
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/32—Locking, e.g. by final locking blades or keys
    • F01D5/323—Locking of axial insertion type blades by means of a key or the like parallel to the axis of the rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
    • F01D21/04—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for responsive to undesired position of rotor relative to stator or to breaking-off of a part of the rotor, e.g. indicating such position
    • F01D21/045—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for responsive to undesired position of rotor relative to stator or to breaking-off of a part of the rotor, e.g. indicating such position special arrangements in stators or in rotors dealing with breaking-off of part of rotor

Definitions

  • the subject of this invention is a blade retention arrangement in axial direction in a turbomachine disc, which we can especially used in blowers the entry of these.
  • the shims form a whole relatively flexible which we exploit here deformation possibilities by allowing the dawn to move in the groove to a limit determined.
  • a relatively large energy is absorbed without excessive force exerted on dawn struck.
  • the deformation is reversible, i.e. that the parts of the timing assembly return to their original state after the shock, dawn is pushed back to its original position, other shocks could still be absorbed, and in particular others shocks after the initial shock can be absorbed in the same event.
  • This assembly elastic in the axial direction, blade sliding in an axial groove or slightly oblique differs from known arrangements, where dawn is be rigidly connected to the disc and deprived of any possibility of axial travel, or restraint axially by a part liable to rupture or flame in case of excessive axial force. Dawn undergoing the shock will likely break easily in the first case, and the broken part or having flamed will not be able to support other loads high during the same event in the second case.
  • Another aspect of the invention is that limits however the deformation that the pieces of stall may suffer, so they don't keep permanent deformation: a stopper is added for that between dawn and the disc. When the moving from dawn was enough to reach the stop position, the mechanical system becomes much more rigid, that is to say that much larger increases in effort are necessary to produce displacements additional. The energy of the axial shock as well as the efforts are then shared between the two levels of the retaining arrangement of the stop system, and avoids the rupture of one or the other of the systems.
  • the restraint of the first level is flexibility as it lets the dawn slide in the disc cavity without great axial force before the second level only comes at the end of a game imposed and, at that moment, holds the dawn by including the stiffness and capacity of the layout.
  • the utility of the invention is not limited absorption of impact forces following a neighboring dawn break, but for all causes axial forces on the blades, such as impacts solid bodies, birds or others.
  • the invention relates also a dual flexibility retaining arrangement of a blade in a disc according to axial displacements of dawn, comprising a first level of deformation at significant flexibility and a second level of deformation marked by a disappearance of clearances between less a chain of elements of the arrangement and by a decrease in flexibility combined with increasing load elements of the chain, without breaking or buckling none of the elements of the chain.
  • Layout can be on one side at dawn, or on both sides, the game then being advantageously on one side and the wedging pieces of the other side.
  • Figure 1 shows some parts essentials of a turbomachine fan, one of which cone 1, a disc 2 covered by the cone 1 and blades 3 whose blades 4 come out of the cone 1 and which include still feet 5 housed in grooves of the disc 2.
  • the dawn feet have a section bulbous, dovetailed or swollen so similar in a groove of complementary shape, of so as to nest in it and prohibit centrifugal movements of blade extraction 3 when the cone 1 turns with the rotor of the turbomachine.
  • FIG. 2 shows the front of the arrangement.
  • the blade root 5 is placed on a wedge 7 which holds it in place against the top of the groove overflowing toward the front, where the wedge 7 abuts against a ring of circumferential retention 8 which in turn abuts the front against a flange 9 of the disc 2.
  • the ring of circumferential retention has notches 25 of limited angular extension which receive the ends of wedges 7 and prevent them from moving axially in the grooves 26, as is known.
  • a flange 10 covers the ring 8, the flange 9 and the wedge 7 and is in the form of an envelope 11 fairly thin bolted to an outer portion 12 of the disc 2 by means of screws 13.
  • An important aspect of the invention is in the pairs of abutment surfaces 27, 28 and 29 in manhole, surfaces respectively arranged on the foot 5 and the wedge 7, on the wedge 7 and the ring 8, and on the ring 8 and the flange 9; these surfaces are directed in axial direction.
  • dawn 5 When dawn 5 is moved to the front, it pushes back the wedge 7, then the ring 8, until the flange 9 is touched, by a contact successive of the surfaces of pairs 27, 28 and 29.
  • this stack in the axial direction is quite flexible to because of the number of parts involved and their possibilities of deformation, especially by bending and the torsion of the ring 8 due to its thinness and to a radial offset of the pairs of abutment surfaces 28 and 29 between which it is located: a displacement additional of a determined value of the foot of dawn 5 will therefore require exerting some force, but relatively weak in an early stage of the deformation.
  • a neck 6 of the disc 2, leading to the flange 9, also flexes under load and provides flexibility additional.
  • Disc 2 is bolted to a drum 14 which includes a flange 15 ending in a cover which covers the blade root 5 and the wedge 7.
  • the drum 14 is provided with a flange 18 provided with notches 17 each of which comes to cap a stud 19 of a rear portion 20 of the blade root 5, and a heel 21 of this rear portion 20 extends behind the flange 18, from which it is separated by a set 22 determined in normal circumstances where dawn is not stressed important axial. When this possibility arises and as dawn moves forward, the game 22 gradually decreases but remains while the parts 7, 8 and 9 begin to undergo deformation.
  • FIG. 4 This conception of mounting from dawn to two successive levels of rigidity can be set work by technical arrangements presenting a different appearance, as shown in figure 4.
  • the foot blade 5 is still placed on a wedge 7 mounted in the same groove of disc 2, and its position on the circumference can be ensured by a similar piece at ring 8, but which is not shown here and does not participates more in the assembly of the invention.
  • a flange 30 covers at the front the wedge 7 and the blade root 5; it is joined to disc 2 by bolts 31 and extends radially outward before bend in the shape of a hook 32 with angular extension limited which is located opposite the blade root 5; he includes, not far from the bolts 31, a thinned portion 33 which gives it extra flexibility.
  • the disc 2 comprises a flange 34 extending towards outside, with angular extension notches limited and ending behind hook 32 also notched, between him and the flange 30 proper.
  • the notches of hook 32 and flange 34 extend from so the solid parts of these two pieces are opposite and normally separated from a set 35.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Catching Or Destruction (AREA)

Abstract

Ce montage axial des pieds (5) d'aubes de soufflante offre deux niveaux de souplesse, et comporte une rigidité assez faible jusqu'à la consommation d'un jeu prédéterminé (35) entre deux pièces de butée (32, 34), qui impose alors un accroissement important de la raideur ; une énergie importante a cependant pu être absorbée par la déformation élastique de certaines pièces (7, 30) situées entre l'aube et le disque (2), ce qui permet à l'aube de résister à des forces momentanées assez importantes, si par exemple une voisine se brise et la heurte. <IMAGE>

Description

Le sujet de cette invention est un agencement de retenue d'aubes en direction axiale dans un disque de turbomachine, qu'on pourra particulièrement employer dans les soufflantes à l'entrée de celles-ci.
On se préoccupe ici des situations d'avarie qui peuvent survenir quand une aube se rompt par un choc provoqué par l'entrée d'un corps étranger dans la machine ou lors d'une défaillance. L'aube se détachant heurte sa voisine et exerce des efforts axiaux et radiaux importants sur elle, qui peuvent la rompre à son tour. Le dispositif proposé ici permet d'absorber la composante axiale d'une force de choc s'exerçant sur l'aube. Il s'agit d'un agencement particulier faisant intervenir les pièces de calage de l'aube, situées entre le disque et un pied de l'aube coulissant dans une rainure et qui arrêtent son mouvement axial dans la rainure.
Les pièces de calage forment un ensemble relativement flexible dont on exploite ici les possibilités de déformation en permettant à l'aube de se déplacer dans la rainure jusqu'à une limite déterminée. Une énergie relativement importante est absorbée sans qu'une force excessive s'exerce sur l'aube heurtée. La déformation est réversible, c'est-à-dire que les pièces de l'ensemble de calage reviennent à leur état original après le choc, l'aube est repoussée à sa position initiale, d'autres chocs pourront encore être absorbés, et notamment d'autres chocs ultérieurs au choc initial peuvent être absorbés dans le même événement.
Ce montage, élastique en direction axiale, d'aube coulissant dans une rainure axiale ou légèrement oblique diffère des agencements connus, où l'aube est soit reliée de façon rigide au disque et privée de toute possibilité de débattement axial, ou retenue axialement par une pièce susceptible de se rompre ou de flamber en cas de force axiale excessive. L'aube subissant le choc sera susceptible de se rompre facilement dans le premier cas, et la pièce rompue ou ayant flambé ne pourra pas supporter d'autres charges élevées au cours du même événement dans le second cas.
Un autre aspect de l'invention est qu'on limite toutefois la déformation que les pièces de calage risquent de subir, afin qu'elles ne gardent pas de déformations permanentes : une butée est ajoutée pour cela entre l'aube et le disque. Quand le déplacement de l'aube a été suffisant pour atteindre la position de butée, le système mécanique devient beaucoup plus rigide, c'est-à-dire que des accroissements d'effort beaucoup plus importants sont nécessaires pour produire des déplacements supplémentaires. L'énergie du choc axial ainsi que les efforts sont alors partagés entre les deux niveaux de l'agencement de retenue du système d'arrêt, et on évite la rupture de l'un ou l'autre des systèmes.
La retenue du premier niveau est d'une souplesse telle qu'elle laisse l'aube coulisser dans l'alvéole du disque sans grand effort axial avant que le deuxième niveau n'intervienne au bout d'un jeu imposé et, à ce moment, retienne l'aube en incluant les raideurs et capacités de l'agencement.
L'utilité de l'invention n'est pas limitée à l'absorption des forces de chocs consécutives à une rupture d'aube voisine, mais à toutes les causes d'efforts axiaux sur les aubes, telles que les impacts de corps solides, oiseaux ou autres.
On verra que de nombreuses variantes de réalisation, extérieurement différentes les unes des autres, sont possibles pour l'invention, mais une définition générale de celle-ci est un agencement de retenue d'une aube dans un disque où l'aube peut coulisser substantiellement axialement dans le disque, comprenant des pièces de calage de l'aube, caractérisé en ce que les pièces de calage sont jointes par des paires de surfaces de butée dirigées axialement et finissant soit sur une portion du disque, soit sur une des pièces de calage, qui est unie au disque, les pièces de calage ou la portion du disque étant au moins partiellement flexibles, et en ce qu'un jeu déterminé existe en direction axiale entre soit une portion du disque soit une portion d'une pièce jointe au disque, et soit une portion de l'aube, soit une portion d'une pièce jointe à l'aube, ledit jeu étant consommé quand un effort axial déterminé a été exercé sur l'aube. En d'autres termes, on peut dire que l'invention concerne aussi un agencement de retenue à double souplesse d'une aube dans un disque selon des déplacements axiaux de l'aube, comprenant un premier niveau de déformation à souplesse importante et un deuxième niveau de déformation marqué par une disparition de jeux entre au moins une chaíne d'éléments de l'agencement et par une diminution de souplesse jointe à une charge croissante des éléments de la chaíne, sans rupture ni flambage d'aucun des éléments de la chaíne.
L'agencement peut se trouver d'un seul côté de l'aube, ou des deux côtés, le jeu étant alors avantageusement d'un côté et les pièces de calage de l'autre côté.
Tout cela, ainsi que des aspects plus particuliers, apparaítra mieux à la description qui suit, en liaison aux dessins annexés et dont la liste est donnée ci-dessous :
  • La figure 1 est une vue générale d'une soufflante et montre un assemblage de fixation des aubes ;
  • Les figures 2 et 3 représentent pour un mode de réalisation de l'invention les deux extrémités de l'agencement de retenue des aubes ;
  • La figure 3A est une vue axiale d'un élément essentiel de la figure 3 ;
  • Et la figure 4 illustre un autre mode de réalisation de l'invention.
La figure 1 représente certaines parties essentielles d'une soufflante de turbomachine, dont un cône 1, un disque 2 couvert par le cône 1 et des aubes 3 dont les pales 4 sortent du cône 1 et qui comprennent encore des pieds 5 logés dans des rainures du disque 2. Ainsi qu'il est connu, les pieds d'aube ont une section en bulbe, en queue d'aronde ou renflée de façon analogue dans une rainure de forme complémentaire, de façon à s'imbriquer en elle et à interdire les mouvements centrifuges d'extraction des aubes 3 quand le cône 1 tourne avec le rotor de la turbomachine.
On se reporte maintenant plus précisément à la figure 2 qui représente l'avant de l'agencement. Le pied d'aube 5 est posé sur une cale 7 qui le maintient en place contre le haut de la rainure en débordant vers l'avant, où la cale 7 bute contre un anneau de rétention circonférencielle 8 qui lui-même bute vers l'avant contre une bride 9 du disque 2. L'anneau de rétention circonférentielle présente des crans 25 d'extension angulaire limitée qui reçoivent les extrémités des cales 7 et les empêchent de se déplacer axialement dans les rainures 26, ainsi qu'il est connu. De plus, un flasque 10 couvre l'anneau 8, la bride 9 et la cale 7 et se présente sous forme d'une enveloppe 11 assez mince boulonnée à une portion externe 12 du disque 2 par l'intermédiaire de vis 13.
Un aspect important de l'invention réside dans les couples de surfaces de butée 27, 28 et 29 en regard, surfaces disposées respectivement sur le pied 5 et la cale 7, sur la cale 7 et l'anneau 8, et sur l'anneau 8 et la bride 9 ; ces surfaces sont dirigées en direction axiale.
Quand le pied d'aube 5 est déplacé vers l'avant, il repousse la cale 7, puis l'anneau 8, jusqu'à ce que la bride 9 soit touchée, par un contact successif des surfaces des paires 27, 28 et 29. Mais cet empilement en direction axiale est assez souple à cause du nombre des pièces impliquées et de leurs possibilités de se déformer, surtout par la flexion et la torsion de l'anneau 8 dues à sa minceur et à un décalage radial des paires de surfaces de butée 28 et 29 entre lesquelles il est situé : un déplacement supplémentaire d'une valeur déterminée du pied d'aube 5 nécessitera donc d'exercer une certaine force, mais relativement faible dans un premier stade de la déformation. Un col 6 du disque 2, menant à la bride 9, fléchit aussi sous la charge et offre une souplesse supplémentaire.
On passe maintenant à la figure 3, où est représenté l'autre côté du disque 2 et de l'aube 1.
Le disque 2 y est boulonné à un tambour 14 qui comprend une bride 15 finissant en un capot qui couvre le pied d'aube 5 et la cale 7. De plus, le tambour 14 est muni d'une bride 18 munie d'encoches 17 dont chacune d'elles vient coiffer un tenon 19 d'une portion arrière 20 du pied d'aube 5, et un talon 21 de cette portion arrière 20 s'étend derrière la bride 18, dont il est séparé par un jeu 22 déterminé dans des circonstances normales, où l'aube ne subit pas d'effort axial important. Quand cette éventualité apparaít et que l'aube se déplace vers l'avant, le jeu 22 s'amenuise progressivement mais subsiste alors que les pièces 7, 8 et 9 commencent à subir une déformation. Quand celle-ci atteint une certaine valeur, le jeu 22 est consommé et un contact direct s'instaure entre le talon 21 et la nervure 18 ; comme ces deux pièces sont beaucoup plus rigides que celles de l'avant de l'assemblage, des forces beaucoup plus importantes sont nécessaires pour déplacer encore l'aube vers l'avant, ce qui fait qu'on obtient un montage de l'aube faiblement rigide pour de petits déplacements mais fortement rigide pour des déplacements plus importants. Cette propriété permet d'absorber des énergies de choc assez importantes reçues par l'aube lors de cas de charges exceptionnelles comme l'ingestion d'oiseaux ou surtout la perte d'aube, sans risquer d'endommager les différentes pièces de l'agencement de retenue.
Cette conception du montage de l'aube à deux niveaux successifs de rigidité peut être mise en oeuvre par des agencements techniques présentant un aspect différent, comme le montre la figure 4. Le pied d'aube 5 est encore posé sur une cale 7 montée dans la même rainure du disque 2, et sa position sur la circonférence peut être assurée par une pièce analogue à l'anneau 8, mais qui n'est pas représentée ici et ne participe plus au montage de l'invention. Ici un flasque 30 couvre à l'avant la cale 7 et le pied d'aube 5 ; il est uni au disque 2 par des boulons 31 et s'étend radialement vers l'extérieur avant de se recourber en forme de crochet 32 d'extension angulaire limitée qui se situe en regard du pied d'aube 5 ; il comprend, non loin des boulons 31, une portion amincie 33 qui lui confère un surcroít de souplesse. De plus, le disque 2 comprend une bride 34 s'étendant vers l'extérieur, munie de crans d'extension angulaire limitée et finissant derrière le crochet 32 également cranté, entre lui et le flasque 30 proprement dit. Les crans du crochet 32 et de la bride 34 se prolongent de sorte que les parties pleines de ces deux pièces sont en regard et séparées en temps normal d'un jeu 35.
Dans cette conception, tous les éléments du montage à deux niveaux de rigidité se trouvent donc à l'avant des aubes, le jeu 35 ayant le rôle du jeu 22 précédent. Quand une aube subit une force vers l'avant, le pied d'aube 5 repousse la cale 7 en faisant fléchir le flasque 30 par la partie amincie 33, jusqu'à ce que le jeu 35 ait disparu et que le crochet 32 bute contre la bride 34 beaucoup plus rigide que le flasque 30, ce qui accroít fortement la résistance du montage aux déplacements supplémentaires de l'aube. La déformation des pièces de calage s'accomplit par la butée entre deux paires de surfaces 27 et 36, situées respectivement sur le pied 5 et la cale 7 (comme précédemment), et entre la cale 7 et le flasque 30.

Claims (10)

  1. Agencement de retenue d'une aube dans un disque (2) où l'aube peut coulisser substantiellement axialement dans le disque, comprenant des pièces (7, 8) de calage de l'aube, caractérisé en ce que les pièces de calage sont jointes par des paires de surfaces de butée (27, 28, 29, 36) dirigées axialement et finissant soit sur une portion (9) du disque, soit sur une des pièces de calage (30), qui est unie au disque, les pièces de calage ou la portion (9) du disque étant au moins partiellement (8, 33) flexibles, et en ce qu'un jeu déterminé (22, 35) existe en direction axiale entre soit une portion du disque (34) soit une portion (18) d'une pièce (14, 15) jointe au disque (2), et soit une portion (21) de l'aube, soit une portion (32) d'une pièce jointe à l'aube, ledit jeu étant consommé quand un effort axial déterminé a été exercé sur l'aube.
  2. Agencement de retenue selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pièces de calage (7, 8) et le jeu (22) se trouvent sur deux côtés opposés de l'aube.
  3. Agencement de retenue selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il se trouve entièrement d'un côté de l'aube.
  4. agencement de retenue selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les pièces de calage comprennent une cale (7) glissée sous un pied (5) de l'aube.
  5. Agencement de retenue selon la revendication 4, caractérisé en ce que les pièces de calage comprennent un anneau (8) de retenue circonférentielle de la cale (7).
  6. Agencement de retenue selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'anneau (8) est disposé entre deux desdites paires (28, 29) de surfaces de butée décalées radialement de manière à pouvoir fléchir.
  7. Agencement de retenue selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pièces de calage comprennent un flasque (30) qui est uni au disque (2).
  8. Agencement de retenue selon la revendication 7, caractérisé en ce que le flasque (30) est doté d'une partie amincie et flexible (33).
  9. Agencement de retenue selon la revendication 8, caractérisé en ce que le flasque (30) comprend une extrémité courbée en un crochet (32) qui fait office de butée rigide quand le jeu (35) est consommé.
  10. Agencement de retenue à double souplesse d'une aube dans un disque selon des déplacements axiaux de l'aube, comprenant un premier niveau de déformation à souplesse importante et un deuxième niveau de déformation marqué par une disparition de jeux entre au moins une chaíne d'éléments de l'agencement et par une diminution de souplesse jointe à une charge croissante des éléments de la chaíne, sans rupture ni flambage d'aucun des éléments de la chaíne.
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