FR2998672A1 - Rotor de turbomachine ou de moteur d'essai - Google Patents

Abstract

Rotor de turbomachine ou de moteur d'essai, comprenant au moins une roue (18) comportant un alésage axial (22) traversé par au moins un élément tubulaire (24) coaxial et solidaire en rotation de la roue, caractérisé en ce que cet élément comprend des moyens d'appui radial sur la surface interne de l'alésage de la roue.

Description

Rotor de turbomachine ou de moteur d'essai La présente invention concerne un rotor de turbomachine ou de moteur d'essai.

Dans le cadre de la mise au point d'un nouveau moteur de turbomachine, il est connu de réaliser un moteur d'essai comportant au moins un module à tester du nouveau moteur qui est associé à des éléments destinés à reproduire le plus fidèlement possible l'architecture et les conditions de fonctionnement du moteur, notamment en termes de performances, opérabilité, tenue mécanique, durée de vie, thermique, ventilation, vibration, et dynamique d'ensemble. Ce moteur d'essai comprend en outre des pièces d'adaptation qui sont conçues pour : la mise en place de l'instrumentation, assurer les fonctions principales de fonctionnement (ventilation, lubrification, dégazage, etc.), assurer la mise au banc d'essai (suspension au banc, adaptation et interface au banc, etc.), assurer des conditions de fonctionnement spécifiques (distorsion en entrée, aubes à calage variable, tuyère variable, endoscopie, etc.). Un moteur d'essai comprend en général un rotor comportant au moins une roue dont l'alésage axial est traversé par au moins un élément tubulaire de forme allongée coaxial à la roue, et solidaire en rotation de la roue. Dans un cas particulier, un moteur d'essai peut comporter un module haute pression à tester, ce module comprenant d'amont en aval des étages de compression dont le dernier est centrifuge et une turbine, les roues des étages de compression et de la turbine comprenant des alésages axiaux qui sont traversés par deux cannes coaxiales s'étendant l'une à l'intérieur de l'autre. Une première canne cylindrique tubulaire dite canne de ventilation s'étend à l'intérieur des alésages des roues et une seconde canne cylindrique tubulaire dite canne de mesure s'étend à l'intérieur de la première canne. Les extrémités aval des cannes sont fixées à la roue de turbine et leurs extrémités amont sont montées axialement coulissantes sur des surfaces cylindriques internes d'un élément de rotor. La canne de ventilation a notamment pour fonction de définir avec les surfaces internes des alésages des roues un espace annulaire de passage axial d'un flux d'air de ventilation. Cet espace annulaire est en outre utilisé pour le passage de fils électriques d'alimentation d'instruments de mesure. La canne de mesure est spécifique à un moteur d'essai et a notamment pour fonction d'assurer le cheminement des fils d'instrumentation de la quasi-totalité des mesures du rotor. Cette canne doit guider au mieux les fils afin d'éviter tout balourd potentiel dû à la masse des fils décentrés. Des études de dimensionnement, basées sur des critères moteur, sont réalisées sur les pièces d'adaptation précitées ainsi que sur l'ensemble du moteur d'essai. Lors de ces études, il a été identifié un mode dynamique de flexion de la canne de ventilation qui est situé dans la plage de fonctionnement du moteur. L'impact d'un tel mode dynamique dans la plage de fonctionnement est destructeur pour la ligne rotor. En effet, l'apparition d'un tel mode peut engendrer les situations suivantes : la destruction de la canne de ventilation avec pour conséquences la perte de la ventilation et de l'ensemble des mesures du rotor, la dégradation critique de pièces structurantes de la ligne rotor, et la création d'un balourd important entrainant des surcontraintes dans les brides de liaison. La présence d'au moins une de ces situations compromet fortement l'intégrité du moteur d'essai et du test du module. Il est donc impératif d'éloigner au maximum ce mode dynamique de la plage de fonctionnement. La tendance actuelle pour augmenter les performances d'un module de compression d'un moteur est de minimiser la taille du rotor pour une 30 même longueur d'arbre. Cette diminution de taille du rotor permet d'augmenter sa vitesse de rotation. Ces facteurs cumulés impliquent de fortes contraintes de dimensionnement dynamique. Ainsi, si cette tendance continue, ce problème dynamique sera probablement de plus en plus rencontré lors des futurs développements. On a déjà proposé de modifier la géométrie de la canne de ventilation pour modifier sa rigidité en flexion mais ces modifications de géométrie se sont avérées insuffisantes car elles n'ont pas permis de supprimer le mode précité de la plage de fonctionnement. Ce problème technique peut également se rencontrer dans le cadre d'une turbomachine ou d'un moteur de série. En effet, une turbomachine peut comprendre des roues dont les alésages axiaux sont traversés par un arbre, une canne, un fourreau, et/ou un tube par exemple de dégazage. La tendance précitée de diminution des tailles des moteurs et d'augmentation des vitesses de rotation des rotors peut engendrer des problèmes de coïncidence de modes dynamiques de ces éléments avec la plage de fonctionnement du moteur. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique au problème précité. A cet effet, elle propose un rotor de turbomachine ou de moteur d'essai, comprenant au moins une roue comportant un alésage axial traversé par au moins un élément tubulaire coaxial et solidaire en rotation de la roue, caractérisé en ce que l'élément comprend des moyens d'appui radial sur la surface interne de l'alésage de la roue. Les inventeurs ont constaté que cette solution est particulièrement efficace car elle permet d'éloigner suffisamment le premier mode dynamique de flexion de l'élément, tel qu'une canne, de la plage de fonctionnement du moteur, sans remettre en cause l'architecture de l'ensemble et en tenant compte des éventuelles contraintes technologiques d'un moteur d'essai. Les moyens d'appui sont destinés à prendre appui radialement sur la surface interne de l'alésage de la roue pour limiter les déformations, en particulier en flexion, de l'élément en fonctionnement.

L'invention est particulièrement avantageuse car seul l'élément peut être modifié, la roue n'étant pas impactée et pouvant être identique à celles utilisées dans la technique antérieure. L'invention ne modifie pas les architectures existantes et peut donc être introduite facilement sur les moteurs existants afin de résoudre des problèmes de dynamique d'ensemble. L'élément est par exemple une canne de ventilation d'un moteur d'essai comportant un module haute-pression à tester. En variante, l'élément est un fourreau, un arbre ou un tube.

Les moyens d'appui sont de préférence situés à distance des extrémités axiales de l'élément. Ils sont par exemple situés à mi-distance des extrémités axiales de l'élément. Avantageusement, les moyens d'appui comprennent des plots en saillie sur une surface cylindrique externe de l'élément. Ces plots peuvent être formés d'une seule pièce avec l'élément. Ces plots sont configurés pour prendre appui radialement sur la surface interne de l'alésage de la roue. Ils maintiennent l'élément à distance radiale de la surface interne de l'alésage de la roue et peuvent définir entre eux des espaces circonférentiels de passage d'un flux d'air de ventilation et de fils électriques d'instrumentation du rotor. Les plots sont de préférence régulièrement répartis autour de l'axe longitudinal de l'élément pour éviter la formation d'un balourd. Ils sont par exemple au nombre de trois. Les plots ont de préférence un profil aérodynamique pour limiter les pertes de charge du flux d'air précité. Ils présentent par exemple des arêtes arrondies. La géométrie des plots est de préférence optimisée de manière à diminuer au maximum les contraintes dans les plots. En effet, la vitesse de rotation pouvant être très importante (par exemple de l'ordre de 26 000 tr/min), les contraintes dans l'élément sont principalement tangentielles.

Des formes optimisées vis-à-vis des contraintes peuvent donc être mises en place afin de valider la tenue mécanique de la pièce. Chaque plot a une surface radialement externe qui est incurvée convexe et est sensiblement complémentaire de la surface interne de l'alésage de la roue. Ainsi, le contact entre les plots et la surface interne de l'alésage de la roue est réalisé sur une surface et non sur une arête, ce qui limite les risques d'endommagement de la roue et d'amorce de fissures. En effet, l'alésage de la roue étant une zone critique d'un point de vue de la tenue mécanique, il est impératif de ne pas dégrader l'état de surface de sa surface interne. La surface radialement externe de chaque plot peut être revêtue d'une couche mince (par exemple d'épaisseur inférieure à 1 mm) d'un matériau moins dur que celui de la roue, ce matériau étant par exemple un alliage à base de nickel, chrome et aluminium.

Les plots peuvent avoir une dimension axiale supérieure à celle de l'alésage axial de la roue. Ceci évite aux extrémités axiales des plots de venir en appui sur la surface interne de l'alésage de la roue (ce qui pourrait dégrader cette surface interne), même dans le cas où l'élément se déplacerait axialement en fonctionnement du fait des dilatations différentielles. L'utilisation de plots d'appui comportant des surfaces d'appui rayonnantes et ayant une longueur supérieure à celle de l'alésage de la roue permet d'assurer une surface maximale d'appui des plots, optimisant ainsi l'efficacité de l'appui vis-à-vis du mode dynamique.

Dans un cas particulier de réalisation de l'invention, la roue est un rouet d'un compresseur centrifuge. Le rotor selon l'invention peut comprendre un autre élément tubulaire coaxial s'étendant à l'intérieur de l'élément précité et comportant des moyens d'appui radial sur une surface interne de l'élément précité, les moyens d'appui des éléments s'étendant dans un même plan perpendiculaire à l'axe longitudinal du rotor et passant sensiblement par la roue précitée. Cet autre élément est par exemple une canne de mesure. Les moyens d'appui de cet autre élément peuvent être similaires à ceux du premier élément. Ils peuvent par exemple comprendre au moins trois plots régulièrement répartis autour de l'axe longitudinal du rotor, chaque plot de l'élément interne étant aligné en direction radiale avec un plot de l'élément externe. La présente invention concerne également une turbomachine ou moteur d'essai, comprenant un rotor tel que décrit ci-dessus. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un moteur d'essai de turbomachine ; - la figure 2 est une vue à plus grande échelle d'une partie de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue schématique en perspective d'un moyen d'appui radial de la canne de ventilation du moteur d'essai de la figure 1 ; - la figure 4 est une vue très schématique en coupe transversale du plot de la figure 3 ; - la figure 5 est une vue schématique de face de la canne de ventilation montée dans l'alésage axial du rouet du moteur d'essai de la figure 1 ; et - la figure 6 est une autre vue schématique de face des cannes de mesure et de ventilation du moteur d'essai de la figure 1. On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente un moteur d'essai de turbomachine, comportant notamment un module haute pression qui comprend d'amont en aval, dans le sens d'écoulement des gaz dans le moteur, un compresseur 10 dont le dernier étage 12 est centrifuge et qui alimente une chambre annulaire de combustion (non représentée), et une turbine 14. Le reste du moteur n'est pas représenté pour plus de clarté.

Le compresseur 10 comprend trois étages axiaux comportant chacun une roue 16 à aubes suivie d'un redresseur (non représenté), le dernier étage centrifuge 12 du compresseur comprenant un rouet 18. La turbine haute-pression 14 comprend une roue 20 à aubes.

Les roues 16, 20 et le rouet 18 sont reliés entre eux par des parois annulaires et forment le rotor du module haute pression du moteur d'essai. Le rouet 18 et chaque roue 16, 20 comprennent un disque portant à sa périphérie une rangée annulaire d'aubes sensiblement radiales. Chaque disque comprend un alésage axial 22 et a en section une forme dite en poireau ou en queue d'aronde, la périphérie interne du disque étant surépaissie en direction axiale par rapport au reste du disque. Les alésages du rouet 18 et des roues 16, 20 présentent chacun une surface cylindrique interne. Le moteur d'essai comprend deux cannes cylindriques 24, 26 tubulaires qui s'étendent l'une à l'intérieur de l'autre et traversent axialement les alésages 22 des roues 16, 20 et du rouet 18. La canne externe 24 est une canne de ventilation qui délimite intérieurement un espace annulaire de circulation d'air de ventilation destiné à passer à l'intérieur des alésages 22 des roues 16, 20 et du rouet 18. L'extrémité aval de cette canne 22 est fixée à l'extrémité aval de la roue de turbine 20 et est donc solidaire en rotation du rotor. Son extrémité amont est engagée dans un rebord cylindrique aval 28 d'un élément du rotor et peut coulisser axialement sur la surface cylindrique radialement interne de ce rebord en fonctionnement du moteur.

La canne interne 26 est une canne de mesure dont l'extrémité aval est fixée à l'extrémité aval de la roue de turbine 20 et l'extrémité amont est engagée dans un rebord cylindrique aval 30 d'un élément du rotor et peut coulisser axialement sur la surface cylindrique radialement interne de ce rebord en fonctionnement du moteur.

Pour éviter que des modes dynamiques de flexion de la canne de ventilation 24 soient situés dans la plage de fonctionnement du moteur, la présente invention propose de prévoir sur la canne de ventilation des moyens d'appui radial sur la surface interne d'au moins un des alésages des roues 16, 20 et du rouet 18. Dans l'exemple représenté aux figures 1 et 2, les moyens d'appui radial de la canne 24 coopèrent avec la surface interne 32 de l'alésage 22 du rouet 18, ces moyens d'appui s'étendant à distance des extrémités axiales de la canne et sensiblement à mi-distance de celles-ci. Ces moyens d'appui comprennent ici des plots 34 en saillie sur la surface cylindrique externe de la canne 24 et dont les extrémités radialement externes sont destinées à venir en appui sur la surface cylindrique interne 32 du rouet 18. Les plots 34 sont ici au nombre de trois et sont régulièrement répartis autour de l'axe longitudinal A du moteur (figures 5 et 6). Chaque plot 34 est formé d'une seule pièce avec la canne 24 et a une forme sensiblement parallélépipédique allongée, son axe d'allongement s'étendant parallèlement à l'axe A du moteur. Chaque plot 34 a en section transversale une forme trapézoïdale comme cela est visible en figure 4, avec une grande base radialement interne et une petite base radialement externe. Les faces latérales 36 des plots 34 sont reliées à la surface cylindrique externe de la canne 24 par des surfaces 38 incurvées concave (dont les axes de révolution s'étendent parallèlement à l'axe A du moteur) et les arêtes 40 de liaison de ces faces 36 à la surface radialement externe 42 de chaque plot sont arrondies convexes.

Cette surface radialement externe 42 est en portion de cylindre et est sensiblement complémentaire de la surface interne 32 de l'alésage du rouet 18, de façon à ce que le plot 32 puisse venir en appui radial surfacique sur cette surface interne. Chaque plot 32 comprend une face 44 orientée vers l'amont et qui est reliée aux faces latérales 36 précitées par des arêtes 46 arrondies convexes, cette face amont 44 étant également reliée à la surface radialement externe 42 précitée par une arête 48 arrondie convexe. Ceci permet de limiter les zones de turbulence et les pertes de charge dans le flux d'air (flèche 50) qui circule d'amont en aval entre la surface externe de la canne 24 et la surface interne 32 du rouet 18, dans les espaces circonférentiels 52 s'étendant entre les plots 34.

Comme cela est visible aux figures 5 et 6, ces espaces circonférentiels 52 permettent également le passage de fils électriques 54 d'instrumentation. Dans l'exemple représenté, les plots 34 sont répartis à 120° les uns des autres. Le rouet 18 porte une rangée annulaire de 36 fils électriques 54 qui s'étendent axialement le long de la surface interne 32 de son alésage. Les plots 34 sont situés respectivement à 4h, 8h et 12h (par analogie avec le cadran d'une montre). L'aménagement de l'instrumentation a été réalisé de manière à avoir des zones interdites de cheminement au niveau des plots 34. Les fils 54 se situant au niveau des plots ont été déplacés à coté des fils les plus proches de façon à ne pas être en interaction avec les plots. Le montage de la canne de ventilation étant fait en aveugle, la connaissance du point haut (à 12h) de chaque pièce (par repérage habituel de l'ensemble des pièces de la ligne rotor) permet de s'assurer qu'aucun fil ne se trouve en vis-à-vis des plots lors de l'insertion de la canne dans l'alésage du rouet, de façon à ne pas dégrader l'instrumentation lors du montage de la canne. La largeur ou dimension circonférentielle des plots 34 a été définie de manière à assurer une section minimale de ventilation tout en assurant une tenue mécanique de la canne 24. La définition de cette largeur a également été optimisée pour tenir compte du passage des fils 54, comme expliqué dans ce qui précède. Les plots 34 ont par ailleurs une longueur ou dimension axiale supérieure à celle de l'alésage 22 du rouet de sorte que les extrémités amont des plots soient situées en amont du rouet 18 et que leurs extrémités aval soient situées en aval du rouet.

L'alésage 32 du rouet 18 a par exemple un diamètre interne de 80mm environ et les fils 54 ont chacun un diamètre inférieur à 1mm environ. Les plots 34 ont par exemple une largeur ou dimension circonférentielle de l'ordre de 5-6mm, une longueur ou dimension axiale de l'ordre de 30mm, et une hauteur ou dimension radiale de l'ordre de lOmm. Pour éviter que la canne de mesure 26 ait également un mode dynamique qui coïncide avec la plage de fonctionnement du moteur, il est possible de prévoir sur cette canne des moyens d'appui radial similaires à ceux de la canne de ventilation 24, ces moyens d'appui étant destinés à coopérer avec une surface cylindrique interne 58 de la canne 22, comme représenté aux figures 1, 2 et 6.

Dans l'exemple représenté aux figures 1, 2 et 6, la canne de mesure 26 comprend trois plots 60 formés d'une seule pièce avec la canne et régulièrement répartis autour de son axe longitudinal A. Les plots 34, 60 des deux cannes 24, 26 et le rouet 18 sont situés sensiblement dans un même plan perpendiculaire à l'axe A. Chaque plot 34 de la canne 24 est en outre aligné avec un plot 60 de la canne 26 le long d'un axe radial 62 (figure 6). Dans l'exemple représenté en figure 6, la canne 26 a en section une forme sensiblement triangulaire dont les côtés sont formés par des segments arrondis concaves et dont les sommets forment les plots 60 précités.

Les cannes 24, 26 peuvent être montées dans le moteur de la façon suivante. La canne 24 est engagée dans les alésages des roues 16, 20 et du rouet 18 par translation axiale depuis l'aval. Le diamètre interne de l'alésage 22 du rouet 18 est en général légèrement inférieur à celui de la roue de turbine 20. Les plots 32 qui ont un diamètre externe sensiblement égal au diamètre interne de l'alésage du rouet 16 autorisent donc le montage de la canne 24 par translation depuis l'aval. La canne 24 est déplacée vers l'amont jusqu'à ce que son extrémité amont soit engagée dans le rebord 28 précité. Son extrémité aval est alors fixée par boulonnage à la roue de turbine 20. La canne 26 est ensuite engagée à l'intérieur de la canne 24 par translation axiale depuis l'aval. La surface interne 58 de la canne 24 est formée sur une nervure annulaire radialement interne de la canne si bien que cette surface a un diamètre interne inférieur au diamètre interne du reste de la canne 24. Les plots 60 de la canne 26 qui ont un diamètre externe sensiblement égal au diamètre interne de cette surface 58 autorisent donc le montage de la canne 26 dans la canne 24, par translation depuis l'aval. La canne 26 est déplacée vers l'amont jusqu'à ce que son extrémité amont soit engagée dans le rebord 30 précité. Son extrémité aval est alors fixée par boulonnage à la roue de turbine 20. En position montée et au repos, à l'état sans contrainte, les surfaces radialement externes des plots 34, 60 des cannes 24, 26 affleurent les surfaces annulaires en regard du rouet 18 et de la canne 24, respectivement, l'ajustement entre ces surfaces étant par exemple du type h7g6 ou h7f7 (jeu <0,1mm). En fonctionnement, les plots peuvent venir en appui sur la surface interne de l'alésage du rouet pour limiter les déformations des cannes, en particulier en flexion. Ces appuis peuvent disparaître selon le régime du moteur. Toute canne ou tout élément tubulaire d'une turbomachine, d'essai ou de série, qui traverse axialement l'alésage d'un disque et qui est solidaire en rotation de ce disque, peut être équipé de moyens d'appui radial du type précité pour déplacer au moins un de ses modes dynamiques en dehors de la plage de fonctionnement de la turbomachine.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Rotor de turbomachine ou de moteur d'essai, comprenant au moins une roue (18) comportant un alésage axial (22) traversé par au moins un élément tubulaire (24) coaxial et solidaire en rotation de la roue, caractérisé en ce que cet élément comprend des moyens (34) d'appui radial sur la surface interne (32) de l'alésage de la roue.
2. 2. Rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'appui (34) sont situés à distance des extrémités axiales de l'élément (24).
3. 3. Rotor selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens d'appui comprennent des plots (34) en saillie sur une surface cylindrique externe de l'élément (24).
4. 4. Rotor selon la revendication 3, caractérisé en ce que les plots (34) sont régulièrement répartis autour de l'axe longitudinal (A) de l'élément (24) et sont par exemple au nombre de trois.
5. 5. Rotor selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les plots (32) ont un profil aérodynamique pour limiter les pertes de charge d'un flux d'air destiné à passer dans l'espace annulaire (52) délimité par l'élément (24) et l'alésage (22) de la roue (18) en fonctionnement.
6. 6. Rotor selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que chaque plot (34) a une surface radialement externe (42) qui est incurvée convexe et est sensiblement complémentaire de la surface interne (32) de l'alésage (22) de la roue (18).
7. 7. Rotor selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que les plots (34) ont une dimension axiale supérieure à celle de l'alésage axial (22) de la roue (18).
8. 8. Rotor selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la roue est un rouet (18) d'un compresseur centrifuge (12).
9. 9. Rotor selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un autre élément tubulaire (26) coaxial s'étendant àl'intérieur de l'élément (24) précité et comportant des moyens (60) d'appui radial sur une surface interne (58) de l'élément (24) précité, les moyens d'appui (34, 60) des élément (24, 26) s'étendant dans un même plan perpendiculaire à l'axe longitudinal (A) du rotor et passant sensiblement par la roue (18) précitée.
10. 10. Turbomachine ou moteur d'essai, comprenant un rotor selon l'une des revendications précédentes.