FR2990462A1 - Dispositif d'attache d'aubes sur un disque de rotor de turbomachine - Google Patents

Dispositif d'attache d'aubes sur un disque de rotor de turbomachine Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un dispositif d'attache d'aubes sur un disque de rotor de turbomachine, comprenant un disque de rotor (10) muni à sa périphérie extérieure d'une pluralité d'alvéoles (14) qui sont formées chacune entre deux dents de disque (16) adjacentes et qui s'étendent axialement entre deux faces latérales (18a, 18b) du disque, une pluralité d'aubes (20) qui sont munies chacune d'un pied (22) monté dans une alvéole du disque, et au moins une goupille (30) montée sur le disque de rotor en traversant de part en part le pied d'au moins deux aubes adjacentes et en débouchant sur les deux faces latérales du disque de rotor de façon à assurer une attache des aubes sur le disque de rotor.

Description

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général de l'attache d'aubes sur un disque de rotor de turbomachine. Un domaine privilégié mais non exclusif d'application de l'invention est notamment celui des aubes en matériau composite de la turbine basse-pression d'un turboréacteur du type à double corps et double flux. La turbine basse-pression d'un turboréacteur est formée de plusieurs étages, chaque étage se composant d'un distributeur (c'est-à- dire d'une grille d'aubes fixes) et d'une roue mobile placée derrière le distributeur. Ces roues mobiles comportent chacune un disque de rotor sur lequel sont montées par leur pied plusieurs aubes, des systèmes d'attache permettant d'assurer leur maintien sur celui-ci. Les aubes des roues mobiles de la turbine sont soumises à d'importants efforts externes, comme l'effort de contact en sommet d'aube, l'effort aérodynamique des gaz, et plus particulièrement l'effort centrifuge généré par la rotation du disque de rotor. Ces efforts sont contrebalancés par l'effort de retenue exercé par le disque de rotor, cet effort transitant par les systèmes d'attache des aubes sur le disque.
Les efforts devant transiter par les systèmes d'attache des aubes sur le disque de rotor sont très importants. Les systèmes d'attache doivent donc résister à ces efforts dans un environnement qui est fluctuant en température (la température varie entre la température ambiante et 700°C environ) et avec un encombrement limité.
Par ailleurs, il est devenu commun de réaliser les aubes de turbine en matériau composite, notamment en matériau composite à matrice céramique (CMC). On pourra par exemple se référer à la demande de brevet WO 2010/061140 qui décrit un procédé de fabrication de telles aubes.
Par rapport aux aubes de turbine métalliques, les aubes de turbine en matériau composite présentent toutefois des inconvénients liés à leur système d'attache sur le disque de rotor. En effet, les systèmes d'attache connus d'aubes en matériau composite sur un disque de rotor ont des difficultés à résister mécaniquement aux efforts qu'ils doivent faire transiter et se dégradent rapidement en fatigue et en oxydation.
Il en est notamment ainsi des systèmes d'attache réalisés par coopération de forme entre des pieds d'aubes en forme de bulbe et les alvéoles du disque de rotor dans lesquelles ces pieds sont montés. Avec ce type d'attache, les efforts de retenue exercés par le disque de rotor sur le pied d'une aube conduisent, de par l'orientation des couches de texture fibreuse du matériau composite qui s'étendent selon des directions parallèles aux portées du disque de rotor, à un effet de compression de ces couches de texture fibreuse (l'effort est perpendiculaire à la direction des couches de texture fibreuse). Il en résulte une dégradation du pied de l'aube. De plus, la fabrication d'une aube en matériau composite avec un pied en forme de bulbe est relativement complexe et coûteuse. Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant un dispositif d'attache d'aubes sur un disque de rotor qui ne dégrade pas le pied des aubes. Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce à un dispositif d'attache d'aubes sur un disque de rotor de turbomachine, comprenant un disque de rotor muni à sa périphérie extérieure d'une pluralité d'alvéoles qui sont formées chacune entre deux dents de disque adjacentes et qui s'étendent axialement entre deux faces latérales du disque, une pluralité d'aubes qui sont munies chacune d'un pied monté dans une alvéole du disque, et au moins une goupille montée sur le disque de rotor en traversant de part en part le pied d'au moins deux aubes adjacentes et en débouchant sur les deux faces latérales du disque de rotor de façon à assurer une attache des aubes sur le disque de rotor. La goupille du dispositif d'attache selon l'invention traverse ainsi le pied d'aubes selon une direction sensiblement perpendiculaire à ces pieds. Aussi, lorsque les aubes sont réalisées en matériau composite, les efforts de retenue exercés par le disque de rotor sur le pied des aubes s'appliquent essentiellement dans les plans des couches de texture fibreuse des aubes (c'est-à-dire dans les directions des fils de chaîne et des fils de trame constituant les différentes couches de texture fibreuse de l'aube en matériau composite). Or, ces directions d'effort présentent des résistances mécaniques nettement plus élevées que la direction perpendiculaire aux couches de texture fibreuse. Il en résulte une bonne tenue mécanique des pieds des aubes aux efforts de retenue exercés par le disque de rotor. De plus, le goupillage de deux (ou plus) aubes par une même goupille permet d'autoriser une translation relative des aubes (lorsqu'elles sont réalisées en matériau composite) par rapport au disque de rotor (lorsqu'il est métallique) de façon à compenser les différences de dilatation thermique entre ces pièces. Le coût de production des aubes associées au dispositif d'attache selon l'invention peut être réduit par rapport aux aubes munies de pied en forme de bulbe. En effet, le dispositif d'attache selon l'invention permet de garder une structure fibreuse en forme de plaque pour former le pied des aubes. L'encombrement de l'ensemble est également réduit et le montage des goupilles facilité. Le dispositif d'attache peut comprendre au moins deux goupilles traversant de part en part le pied d'au moins deux aubes adjacentes, lesdites goupilles étant régulièrement espacées les unes des autres et s'étendant selon des directions sensiblement parallèles. Chaque goupille du dispositif d'attache peut traverser de part en part le pied de trois aubes adjacentes.
Chaque goupille du dispositif d'attache peut déboucher sur les deux faces latérales du disque de rotor au niveau de dents de celui-ci, ce qui facilite leur montage et démontage. Afin de réduire les pressions de matage entre les aubes et la goupille, celle-ci peut présenter une section droite de forme circulaire, elliptique ou rectangulaire. Le pied de chaque aube peut présenter au moins un perçage pour le passage d'une goupille, le perçage comprenant un traitement de surface ou un insert afin d'en améliorer la tenue structurale. De plus, lorsque les aubes sont réalisées en matériau composite, une zone des pieds des aubes au voisinage des perçages peut être renforcée pour améliorer la tenue structurale des aubes. Chaque aube peut être réalisée en matériau composite à matrice céramique (CMC), le disque de rotor et chaque goupille étant réalisés en matériau métallique.
L'invention a également pour objet une turbine basse-pression de turboréacteur comportant au moins un dispositif d'attache tel que défini précédemment, ainsi qu'un turboréacteur comprenant une telle turbine basse-pression. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : - les figures 1 et 2 sont des vues partielles et en perspective 10 d'un disque de rotor sur lequel sont montées des aubes au moyen d'un dispositif d'attache selon l'invention ; - la figure 3 est une vue en coupe selon III-III de la figure 2 ; et - la figure 4 est une vue de côté du disque de rotor des figures 1 et 2. 15 Description détaillée de l'invention L'invention est applicable à tout corps de turbomachine comprenant un disque de rotor sur lequel sont montées des aubes, par exemple à la turbine basse-pression d'un turboréacteur de type à double 20 corps et double flux. De façon connue, une turbine basse-pression comporte plusieurs étages se composant chacun d'un distributeur et d'une roue mobile placée derrière le distributeur. Chaque distributeur comprend une pluralité d'aubes fixes qui sont disposées dans la veine annulaire 25 d'écoulement du flux gazeux dans la turbine. De même, chaque roue mobile de la turbine comprend un disque de rotor sur lequel sont montées par leur pied des aubes mobiles également disposées dans la veine. Les figures 1 à 4 représentent de façon partielle un disque de rotor 10 d'une roue mobile de turbine basse-pression équipée d'un 30 dispositif d'attache conforme à l'invention. Le disque de rotor 10 est centré sur un axe longitudinal 12 de la turbine basse-pression. Il est muni à sa périphérie extérieure d'une pluralité d'alvéoles 14 qui sont formées chacune entre deux dents de disque adjacentes 16. Ces alvéoles 14 s'étendent axialement entre les 35 deux faces latérales 18a, 18b du disque de rotor sur lesquelles elles débouchent.
Le disque de rotor 10 est typiquement réalisé dans un matériau métallique, par exemple en Inconel®. Des aubes 20 en matériau composite sont montées chacune dans une alvéole 14 du disque de rotor. A cet effet, chaque aube comprend un pied 22 qui présente une forme de plaque sensiblement parallélépipédique avec deux flancs latéraux opposés 22a, 22b et qui est engagé dans une alvéole 14 du disque de rotor et maintenu sur celui-ci au moyen d'un dispositif d'attache décrit ultérieurement. De façon connue, les aubes 20 comprennent également une pale 24 qui se raccorde au pied 22 par l'intermédiaire d'une plate-forme intérieure 26 délimitant, à l'intérieur, la veine d'écoulement du flux gazeux dans la turbine. Par ailleurs, les aubes 20 sont réalisées en matériau composite, et de préférence en matériau composite à matrice céramique (CMC), et comprennent un renfort fibreux obtenu par tissage tridimensionnel de fils et densifié par une matrice. On pourra se référer WO 2010/061140 qui décrit un exemple de procédé de fabrication d'une aube de turbine en matériau composite consistant à réaliser par tissage tridimensionnel une ébauche fibreuse en une seule pièce, mettre en forme l'ébauche fibreuse pour obtenir une préforme fibreuse en une seule pièce ayant une première partie formant préforme de pale et pied d'aube et au moins une deuxième partie formant préforme de plateforme ou talon d'aube, et densifier la préforme par une matrice pour obtenir une aube en matériau composite ayant un renfort fibreux constitué par la préforme et densifié par la matrice, et formant une seule pièce avec plateforme et/ou talon intégrés. Les aubes 20 sont montées sur le disque de rotor 10 et maintenues sur celui-ci au moyen d'un dispositif d'attache conforme à l'invention.
Selon l'invention, un tel dispositif d'attache comprend notamment au moins une goupille 30 qui est montée sur le disque de rotor 10 en traversant de part en part le pied 22 d'au moins deux aubes 20 adjacentes et en débouchant sur les deux faces latérales 18a, 18b du disque de rotor.
Ainsi, la présente invention vise à assurer le maintien des aubes sur le disque de rotor par goupillage de leur pied respectif.
Le principe de goupillage autorise une translation relative entre les aubes en CMC et le disque de rotor métallique (dans la direction tangentielle) de façon à compenser les différences de dilatation thermique entre ces pièces.
Comme représenté sur la figure 3, les goupilles 30 sont des tiges qui traversent de part en part le pied 22 des aubes. Plus précisément, chaque goupille traverse le pied d'une aube selon une direction sensiblement perpendiculaire aux flancs latéraux 22a, 22b de celui-ci et débouche axialement sur les faces latérales 18a, 18b du disque de rotor au niveau des dents 16 de celui-ci. Les goupilles 30 ainsi montées sur le disque de rotor 20 forment avec l'axe longitudinal 12 de la turbine basse-pression un angle A (figure 3) qui est par exemple compris entre 20° et 60°. Par ailleurs, les goupilles 30 sont des tiges réalisées dans un matériau métallique, par exemple en Inconel®, leur conférant une certaine souplesse pour faciliter leur montage sur le disque de rotor. Pour permettre le montage des goupilles dans les pieds 22 des aubes 20, ces derniers présentent chacun un perçage 28 les traversant de part en part. Il en est de même pour les dents 16 du disque de rotor 10 qui sont également percées de trous 17. Les perçages 28 dans les pieds des aubes peuvent être réalisés à l'aide d'un outil de type perceuse. Toutefois, afin d'améliorer la tenue structurale des aubes, et notamment de leur pied, il est possible de les former au cours de l'opération de tissage tridimensionnel de l'ébauche fibreuse destinée à former une préforme de pied d'aube en écartant localement les fils de chaîne et les fils de trame. Le maintien en place des goupilles 30 peut être assuré de différentes manières. Par exemple, les goupilles peuvent posséder une élasticité diamétrale (goupilles dites « Mécanindus® ») et être montées serré dans les trous 17 des dents du disque de rotor. Alternativement, il est possible d'assurer leur maintien axial du disque de rotor par l'ajout d'un flasque annulaire contre la face latérale 18a du disque de rotor ou de plaquettes formant verrous contre la face latérale 18b du disque de rotor. De même, toujours dans le but d'améliorer la tenue structurale 35 des aubes, la zone des pieds des aubes au voisinage des perçages peut être renforcée en augmentant le nombre de fils de trame de l'ébauche fibreuse destinée à former une préforme de pied d'aube sous les perçages. Une autre possibilité pour augmenter la tenue structurale des aubes consiste à adjoindre aux perçages 28 un traitement de surface ou un insert (non représenté sur les figures). Dans le mode de réalisation illustré sur les figures 1 à 4, il est prévu que quatre goupilles 30 traversent de part en part le pied d'au moins deux aubes adjacentes, ces goupilles étant régulièrement espacées les unes des autres et s'étendant selon des directions sensiblement parallèles entre elles. De plus, toujours dans le mode de réalisation des figures 1 à 4, chacune de ces quatre goupilles 30 traverse de part en part le pied de trois aubes 20 adjacentes. Bien entendu, il est possible d'envisager d'autres configurations de goupillage des aubes. Afin de réduire les pressions de matage entre les pieds des aubes et les goupilles, il est possible d'augmenter le nombre de goupilles (par exemple quatre ou cinq) ou d'augmenter leur diamètre. De même, la section droite des goupilles peut être ajustée et être ainsi circulaire, elliptique ou rectangulaire. Par ailleurs, afin d'améliorer la tolérance aux différences de dilatation thermique entre les aubes en CMC et le disque de rotor métallique, il est possible de rendre oblongs les perçages 28 formés dans les pieds 22 des aubes. De même, les goupilles 30 peuvent être rendues flexibles ou coulissantes dans le disque de rotor.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif d'attache d'aubes sur un disque de rotor de turbomachine, comprenant : un disque de rotor (10) muni à sa périphérie extérieure d'une pluralité d'alvéoles (14) qui sont formées chacune entre deux dents de disque (16) adjacentes et qui s'étendent axialement entre deux faces latérales (18a, 18b) du disque ; une pluralité d'aubes (20) qui sont munies chacune d'un pied (22) monté dans une alvéole du disque ; et au moins une goupille (30) montée sur le disque de rotor en traversant de part en part le pied d'au moins deux aubes adjacentes et en débouchant sur les deux faces latérales du disque de rotor de façon à assurer une attache des aubes sur le disque de rotor.
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1, comprenant au moins deux goupilles (30) traversant de part en part le pied d'au moins deux aubes (20) adjacentes, lesdites goupilles étant régulièrement espacées les unes des autres et s'étendant selon des directions sensiblement parallèles.
  3. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel chaque goupille (30) traverse de part en part le pied de trois aubes (20) adjacentes.
  4. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel chaque goupille (30) débouche sur les deux faces latérales (18a, 18b) du disque de rotor (10) au niveau de dents (16) de celui-ci.
  5. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel chaque goupille (30) est réalisée dans un matériau métallique.
  6. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel chaque goupille (30) présente une section droite de forme circulaire, elliptique ou rectangulaire.35
  7. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le pied (22) de chaque aube (20) présente au moins un perçage (28) pour le passage d'une goupille (30), le perçage comprenant un traitement de surface ou un insert afin d'en améliorer la tenue structurale.
  8. 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel les aubes (20) sont réalisées en matériau composite, une zone des pieds des aubes au voisinage des perçages (28) étant renforcée pour améliorer la tenue structurale des aubes.
  9. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel chaque aube (20) est en matériau composite à matrice céramique et le disque de rotor (10) est réalisé dans un matériau métallique.
  10. 10. Turbine basse-pression de turboréacteur comportant au moins un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
  11. 11. Turboréacteur comportant une turbine basse-pression selon la revendication 10.
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