FR3052484A1 - Rotor resistant aux impacts - Google Patents

Abstract

Rotor (10) comprenant un disque (12) muni d'alvéoles (14) à sa périphérie externe, des aubes (20) rattachées audit disque (12), chaque aube (20) comportant une pale (22) et un pied d'aube (24), le pied d'aube (24) étant engagé et retenu dans une des alvéoles (14), le rotor (10) comprenant au moins un élément de soutien (30) fixé au disque (12), l'élément de soutien (30) étant en contact avec la pale (22) de façon à absorber une partie de l'énergie d'impacts sur ladite aube (20).

Description

DOMAINE DE L'INVENTION

Le présent exposé concerne un rotor comprenant un disque et des aubes rattachées audit disque, et plus particulièrement un rotor de soufflante, par exemple pour un turboréacteur d'aéronef.

ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE

Les turboréacteurs d'avion sont classiquement constitués, depuis l'amont vers l'aval dans le sens de l'écoulement des gaz, d'une soufflante, d'un ou plusieurs étages de compresseurs, d'une chambre de combustion, d'un ou plusieurs étages de turbines et d'une tuyère d'échappement des gaz. La soufflante comprend un étage d'aubes mobiles disposées de façon régulière sur la périphérie d'un disque entraîné par un arbre de la turbomachine. Les aubes mobiles sont fixées au disque par leur pied et comprennent une pale s'étendant radialement depuis le pied jusqu'à l'extrémité libre (ou tête) de l'aube.

En condition de vol, les aubes de soufflante sont soumises à des impacts de projectiles divers tels que de la glace ou des oiseaux. L'impact d'un projectile sur une aube entraîne une déflexion de l'aube et risque d'endommager l'aube. Afin de contrer l'apparition de ces endommagements, il est connu de concevoir la forme de l'aube de manière à la renforcer. Cependant, cette prise en compte contraint la liberté de conception et limite les performances des aubes de soufflante.

Il existe donc un besoin pour un nouveau type de rotor permettant de limiter l'endommagement des aubes tout en offrant de bonnes performances.

PRÉSENTATION DE L'INVENTION A cet effet, le présent exposé concerne un rotor comprenant un disque muni d'alvéoles à sa périphérie externe, des aubes rattachées audit disque, chaque aube comportant une pale et un pied d'aube, le pied d'aube étant engagé et retenu dans une des alvéoles, le rotor comprenant au moins un élément de soutien fixé au disque, l'élément de soutien étant en contact avec la pale de façon à absorber une partie de l'énergie d'impacts sur ladite aube.

Dans le présent exposé, on appelle « direction axiale » la direction correspondant à Taxe de rotation du rotor de la turbomachine. On appelle « axe de la turbomachine » ou « axe du rotor » cet axe de rotation. Une direction radiale est une direction perpendiculaire à l'axe du rotor et coupant cet axe. Cette direction correspond aux rayons du rotor. Enfin, on appelle « direction tangentielle », « circonférentielle » ou encore « azimutale » une direction perpendiculaire à l'axe du rotor et à une direction radiale, ne coupant pas l'axe du rotor. L'élément de soutien est une pièce distincte de l'aube. L'élément de soutien est au moins partiellement mobile par rapport à l'aube. Ainsi, l'élément de soutien peut absorber l'énergie d'impact se traduisant en un mouvement relatif de l'aube par rapport au disque, typiquement sous la forme d'une déformation élastique ou plastique de l'élément de soutien. L'élément de soutien peut être fixé au disque directement ou indirectement ; dans le cas où l'élément de soutien est fixé indirectement au disque, par exemple par l'intermédiaire d'une autre pièce, la fixation de l'élément de soutien au disque n'est pas entièrement solidaire de l'aube.

Dans un rotor tel que précédemment défini, la fonction d'absorption de l'énergie d'impact est au moins partiellement déportée de l'aube vers un élément externe à l'aube, à savoir l'élément de soutien. Ainsi, l'énergie d'impact peut être absorbée efficacement tout en permettant une plus grande liberté de conception de l'aube, ce par quoi les performances du rotor peuvent être améliorées.

Dans certains modes de réalisation, l'élément de soutien soutient la pale dans une direction circonférentielle. Selon un exemple, l'élément de soutien peut prendre la forme d'un berceau sur lequel la pale prend appui dans la direction circonférentielle. L'élément de soutien peut épouser au moins en partie la forme de la pale sur la partie avec laquelle il est en contact.

Dans certains modes de réalisation, l'aube comprend une plateforme s'étendant transversalement à la pale et l'élément de soutien est en contact avec la pale entre le pied d'aube et la plateforme, en particulier seulement entre le pied d'aube et la plateforme. La plateforme est placée sur la pale, entre le pied d'aube et la tête de l'aube, c'est-à-dire entre les extrémités proximales et distales de l'aube dans la direction radiale. La plateforme permet, de manière connue en soi, en coopération avec les plateformes des aubes adjacentes, de définir un passage d'air appelé veine aérodynamique radialement à l'extérieur de la plateforme. En positionnant l'élément de soutien entre le pied d'aube et la plateforme, c'est-à-dire radialement à l'intérieur de la plateforme, c'est-à-dire encore hors de la veine aérodynamique, on évite de perturber le flux d'air dans la veine.

Dans certains modes de réalisation, l'élément de soutien est en contact avec l'extrados de la pale. Ainsi, l'élément de soutien soutient la partie extrados. L'élément de soutien est configuré pour absorber une partie de l'énergie d'impacts sur l'aube lorsque lesdits impacts appliquent sur l'aube un effort dirigé vers son extrados. En particulier, les aubes de soufflante sont généralement fortement inclinées à leur extrémité distale, de sorte que dans la quasi-totalité des cas, les impacts de projectiles appliquent sur l'aube une force dirigée vers l'extrados. Un tel positionnement de l'élément de soutien permet donc de gérer efficacement la plupart des impacts auxquels l'aube est soumise.

Dans certains modes de réalisation, l'élément de soutien est monté démontable par rapport au disque. Ainsi, l'élément de soutien peut être facilement remplacé s'il est endommagé, par exemple suite à un impact.

Dans certains modes de réalisation, l'aube possède une tolérance de déformation en-deçà de laquelle l'aube peut rester en service sur le disque malgré les déformations qu'elle subit, et l'élément de soutien possède un comportement élastique dans la gamme d'énergie des impacts qui induiraient, en l'absence dudit élément de soutien, des déformations de l'aube inférieures à ladite tolérance. Ainsi, si l'impact n'est pas de nature à remettre en question l'utilisation de l'aube sur le disque, l'élément de soutien absorbe ledit impact de manière élastique.

Alternativement ou en complément, l'élément de soutien possède un comportement plastique dans la gamme d'énergie des impacts qui induiraient, en l'absence dudit élément de soutien, des déformations de l'aube supérieures ou égales à ladite tolérance. Ainsi, si l'impact est de nature à remettre en question l'utilisation de l'aube sur le disque, l'élément de soutien absorbe ledit impact de manière plastique. Après l'impact, on observe donc une déformation permanente sur l'élément de soutien, laquelle déformation a servi à protéger l'aube de l'impact.

Dans certains modes de réalisation, la limite à rupture de l'élément de soutien est inférieure à la limite à rupture des parties du disque sur lesquelles l'élément de soutien est fixé.

Dans certains modes de réalisation, l'élément de soutien comprend une bande dont les extrémités comprennent chacune une attache pour la fixation de l'élément de soutien au disque. Une première des attaches peut être attachée au côté avant du disque (côté du bord d'attaque), tandis qu'une deuxième des attaches peut être attachée au côté arrière du disque (côté bord de fuite).

De manière plus générale, dans certains modes de réalisation, un déplacement de l'aube en direction de l'élément de soutien induit une tension sur l'élément de soutien. L'élément de soutien est alors soumis à des contraintes de traction.

Dans certains modes de réalisation, le matériau de l'élément de soutien est précontraint. Grâce à la précontrainte, l'élément de soutien est maintenu dans la position souhaitée.

Le présent exposé concerne également une soufflante de turbomachine ou une turbomachine comprenant un rotor tel que précédemment décrit.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. Cette description se réfère aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente une demi-section axiale d'une turbomachine selon un mode de réalisation ; - la figure 2 représente en perspective, dans la direction axiale, une partie de rotor selon un mode de réalisation.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION L'architecture globale d'une turbomachine pouvant incorporer un mode de réalisation de l'invention va être décrite en référence à la figure 1, qui présente une demi-section axiale d'une turbomachine 100. En amont, la turbomachine 100 comprend une soufflante 200 pour l'admission d'air. A la sortie de la soufflante 200, le flux d'air se sépare en deux. Une première partie du flux d'air est envoyée dans un compresseur basse pression 300 puis un compresseur haute pression 400. Cette première partie du flux d'air est ensuite injectée dans une chambre de combustion 500, à la sortie de laquelle elle entraîne une turbine 600. Une deuxième partie du flux d'air, à la sortie de la soufflante 200, est envoyée dans un redresseur 250 pour être redressée puis mélangée aux gaz sortant de la turbine 600. La deuxième partie du flux d'air peut servir, en partie, au refroidissement de la turbomachine 100.

La soufflante 200 possède un axe de rotor X qui est ici confondu avec l'axe de la turbomachine. L'axe X définit la direction axiale. La soufflante 200 comprend un rotor 10 décrit en référence à la figure 2. Sur la figure 2, outre la direction axiale X, on a représenté une direction radiale R et une direction tangentielle ou circonférentielle T correspondant au rayon le long duquel s'étend l'aube 20.

De manière classique et connue en soi, le rotor 10 comprend un disque 12 muni d'alvéoles 14 à sa périphérie externe. Le rotor 10 comprend au moins une aube 20 rattachée audit disque 12. L'aube 20 comprend elle-même une pale 22 et un pied d'aube 24. La pale 22 comprend la partie aérodynamiquement active de l'aube 20, tandis que le pied d'aube 24 comprend la partie de l'aube 20 qui permet sa liaison avec le disque 12. De fait, comme indiqué précédemment, le pied d'aube 24 est engagé et retenu dans une des alvéoles 14. L'engagement du pied d'aube 24 est généralement permis par une correspondance de forme au moins partielle avec l'alvéole 14, par exemple par le biais de formes dite en queue d'aronde ou en pied de sapin, bien connues de l'homme du métier. La rétention du pied d'aube 24 dans l'alvéole 14 correspondante peut être réalisée notamment grâce à un verrou 50, rapporté sur le pied d'aube 24 du côté du bord d'attaque de l'aube 20. Le principe de rétention par un tel verrou 50 est connu en soi et ne sera donc pas décrit. On note que sur la figure 2, le pied d'aube 24 est caché derrière le verrou 50 dans la direction axiale.

Bien qu'une seule aube 20 soit représentée sur la figure 2, le rotor 10 comporte généralement une pluralité d'aubes, chacune ayant son pied engagé dans une alvéole 14. Le rotor 10 peut comprendre autant d'aubes 20 que le disque 12 comprend d'alvéoles 14.

De manière optionnelle, l'aube 20 peut comprendre une plateforme 40. La plateforme 40 peut être partie intégrante de l'aube 20 et formée avec l'aube 20 en une seule pièce, ou, comme c'est le cas dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, une plateforme 40 distincte et indépendante de l'aube 20 et rapportée sur l'aube 20. Une plateforme 40 peut s'étendre transversalement à la pale 22 et être placée entre deux aubes 20 adjacentes. Ainsi, comme indiqué précédemment, la plateforme 40 contribue à créer, radialement à l'extérieur de la plateforme 40 et entre les aubes 20, un passage d'air comprenant aussi peu d'éléments pouvant perturber l'écoulement que possible. La partie de la pale 22 située radialement entre le pied d'aube 24 et la plateforme 40 est parfois appelée échasse.

En particulier dans le cas où elle n'est pas fixée à l'aube 20, la plateforme 40 peut être fixée au disque 12, par exemple par l'intermédiaire de brides 42. Dans le présent mode de réalisation, le disque 12 comprend, à sa périphérie externe, des oreilles 16 situées entre les alvéoles 14. Comme illustré sur la figure 2, les oreilles 16 comprennent des gorges circonférentielles retenant les brides 42. Toutefois, les plateformes 40 pourraient être fixées au disque 12 par d'autres moyens. Par ailleurs, les oreilles 16 de disque peuvent comprendre des perçages axiaux qui permettent une liaison, par exemple boulonnée, avec une virole aval placée à l'arrière du disque.

Comme indiqué précédemment, le rotor 10 comprend au moins un élément de soutien 30 fixé au disque 12, l'élément de soutien 30 étant en contact avec la pale 22 de façon à absorber une partie de l'énergie d'impacts sur l'aube 20. On comprend que le rotor peut comprendre plusieurs éléments de soutien 30 pour une même aube 20, un élément de soutien 30 par aube ou encore un ou plusieurs éléments de soutien 30 pour seulement certaines aubes 20.

Dans le présent mode de réalisation, l'élément de soutien 30 prend la forme d'une bande 32 dont les extrémités comprennent chacune une attache 34, 36 pour la fixation de l'élément de soutien 30 au disque 12. La bande 32 est en contact avec l'extrados 22a de la pale 22. En l'espèce, la bande 32 épouse la forme de l'extrados 22a sensiblement depuis le bord d'attaque jusqu'au bord de fuite de la pale 22. Ainsi, l'élément de soutien 30 soutient la pale 22 dans la direction circonférentielle T.

Comme on peut le voir sur la figure 2, l'élément de soutien 30 est en contact avec la pale 22 entre le pied d'aube 24 et la plateforme 40. L'ensemble de l'élément de soutien 30, ici la bande 32 et les attaches 34, 36, est agencé radialement à l'intérieur de la plateforme 40. La bande 32 peut être en contact avec Léchasse de l'aube 20. L'élément de soutien 30 peut être fixé au disque 12 de différentes manières. Dans le présent mode de réalisation, les attaches 34, 36 prennent la forme d'œillets destinés à coopérer avec des crochets fixes par rapport au disque 12. Les positions des crochets et des œillets pourraient toutefois être échangées entre le disque 12 et l'élément de soutien 30.

Dans le mode de réalisation de la figure 2, un élément d'attache 52 complémentaire de l'attache 34 de l'élément de soutien 30 est rapporté sur le verrou 50. L'élément d'attache 52 comprend un crochet 52a configuré pour s'engager dans l'œillet de l'attache 34 et le retenir. Par ailleurs, un élément d'attache 18 complémentaire de l'attache 36 de l'élément de soutien 30 est rapporté sur une oreille 16. L'élément d'attache 18 comprend un crochet 18a configuré pour s'engager dans l'œillet de l'attache 36 et le retenir. Selon un exemple, la forme du crochet 18a peut être une forme s'étendant selon un plan principal, ledit plan étant de préférence perpendiculaire à un plan principal du trou de l'attache 36. Selon un exemple, la forme du crochet 52a peut être une forme s'étendant selon un plan principal, ledit plan étant de préférence perpendiculaire à un plan principal du trou de l'attache 34.

Grâce à l'engagement simple des crochets 18a, 52a dans les œillets 36, 34, l'élément de soutien 30 peut être facilement monté et démonté du disque 12. Dans le mode de réalisation de la figure 2, le montage de l'élément de soutien 30 peut être effectué de la façon suivante : - on assemble l'attache 36 et le crochet 18a du disque ; - on installe l'aube 20 dans son alvéole 14 ; - on installe le verrou 50 pour verrouiller l'aube 20 dans l'alvéole 14; - on assemble l'attache 34 et le crochet 52a du verrou.

Selon un exemple, le démontage de l'élément de soutien 30 peut être réalisé grâce aux mêmes étapes, effectuées dans l'ordre inverse.

En outre, d'autres moyens de fixations ou d'autres positions de ces moyens peuvent être prévus. Cependant, la structure présentée ci-dessus a l'avantage de modifier a minima les pièces existantes, ce qui facilite l'intégration de l'élément de soutien 30 dans la conception des rotors. En particulier, comme on l'a vu, les pièces telles que le disque 12 et le verrou 50 ne nécessitent que l'ajout d'éléments d'attaches respectifs 18, 52, et non des modifications impliquant une nouvelle définition des pièces.

Au besoin, l'élément de soutien 30 peut être maintenu en position grâce à une précontrainte du matériau composant ledit élément de soutien 30. Cette précontrainte peut être appliquée lors de l'assemblage de la deuxième attache (attache 34) sur le deuxième crochet (élément d'attache 52 du verrou 50). L'élément de soutien 30 peut être réalisé en polymère, par exemple en élastomère, c'est-à-dire en un matériau ne se déformant que de manière élastique avant rupture. En tout état de cause, le matériau de l'élément de soutien 30 doit être suffisamment ductile pour pouvoir se déformer. L'utilisation d'une bande 32 en élastomère permet, grâce à sa souplesse, d'installer la bande 32 et d'appliquer une précontrainte comme indiqué précédemment.

Les éléments d'attache respectifs 18, 52 du disque 12 et du verrou 50 peuvent être réalisés en alliage métallique tel que le titane ou llnconel (marque déposée). L'élément de soutien 30 est monté sur le rotor 10 de façon à être sollicité en tension lors d'un choc sur l'intrados 22b de la pale 22 et tendant à faire bouger la pale 22 vers son extrados 22a, c'est-à-dire dans la direction -T. L'aube 20 possède une tolérance de déformation en-deçà de laquelle l'aube 20 peut rester en service sur le disque 12 malgré les déformations qu'elle subit. La tolérance de déformation est définie en fonction de caractéristiques techniques de l'aube 20 et du disque 12. Dans le cas d'une aube 20 en matériau composite, la tolérance de déformation et le seuil limite d'endommagement sont définis par essai d'ingestion d'oiseau. Ce critère peut être appliqué pour d'autres types d'aubes. L'élément de soutien 30 étant agencé de façon à absorber une partie de l'énergie d'impacts sur l'aube, il permet de diminuer d'autant l'énergie interne que doit dissiper l'aube 20 elle-même. La dissipation d'énergie par l'élément de soutien 30 se traduit par une déformation élastoplastique de l'élément de soutien 30. L'élément de soutien 30 possède un comportement élastique lorsqu'il est soumis à des efforts relativement faibles, un comportement plastique lorsqu'il est soumis à des efforts moyens dépassant sa limite d'élasticité et rompt lorsqu'il est soumis à des efforts relativement forts dépassant sa limite à la rupture. De préférence, l'homme du métier peut veiller à dimensionner l'élément de soutien 30 de sorte qu'il possède un comportement élastique dans une gamme d'énergie des impacts qui induiraient, en l'absence dudit élément de soutien 30, des déformations de l'aube 20 inférieures à la tolérance de déformation de l'aube 20, et/ou de sorte qu'il possède un comportement plastique dans une gamme d'énergie des impacts qui induiraient, en l'absence dudit élément de soutien 30, des déformations de l'aube supérieures ou égales à ladite tolérance de déformation. Ce dimensionnement peut être réalisé sur la base des déflexions observées ou simulées de l'aube 20 en fonction d'impacts de différentes énergies.

Ainsi, l'élément de soutien 30 protège l'aube en se déformant à sa place lors d'impacts sur l'aube 20. En outre, l'élément de soutien 30 est beaucoup plus facile et bien moins coûteux à remplacer que l'aube. Un tel rotor 10 possède donc une durée de vie accrue.

Dans le mode de réalisation décrit, le comportement de l'élément de soutien 30 peut être modulé en agissant sur le matériau de l'élément de soutien 30, ou bien sur l'épaisseur ou la largeur de la bande 32.

Bien qu'un rotor 10 selon un mode de réalisation de l'invention ait été décrit en tant que rotor de soufflante de turbomachine d'aéronef, un rotor selon l'invention pourrait être employé dans d'autres domaines, par exemple dans d'autres types de turbomachines.

Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, des modifications peuvent être apportées à ces exemples sans sortir de la portée générale de l’invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Rotor (10) comprenant un disque (12) muni d'alvéoles (14) à sa périphérie externe, des aubes (20) rattachées audit disque (12), chaque aube (20) comportant une pale (22) et un pied d'aube (24), le pied d'aube (24) étant engagé et retenu dans une des alvéoles (14), le rotor (10) comprenant au moins un élément de soutien (30) fixé au disque (12), l'élément de soutien (30) étant en contact avec la pale (22) de façon à absorber une partie de l'énergie d'impacts sur ladite aube (20).
2. 2. Rotor (10) selon la revendication 1, dans lequel l'élément de soutien (30) soutient la pale (22) dans une direction circonférentielle.
3. 3. Rotor (10) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'aube (20) comprend une plateforme (40) s'étendant transversalement à la pale (22) et l'élément de soutien (30) est en contact avec la pale (22) entre le pied d'aube (24) et la plateforme (40).
4. 4. Rotor (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'élément de soutien (30) est en contact avec l'extrados (22a) de la pale (22).
5. 5. Rotor (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'élément de soutien (30) est monté démontable par rapport au disque (12).
6. 6. Rotor (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'aube (20) possède une tolérance de déformation en-deçà de laquelle l'aube (20) peut rester en service sur le disque (12) malgré les déformations qu'elle subit, et l'élément de soutien (30) possède un comportement élastique dans une gamme d'énergie des impacts qui induiraient, en l'absence dudit élément de soutien (30), des déformations de l'aube (20) inférieures à ladite tolérance.
7. 7. Rotor (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l'aube (20) possède une tolérance de déformation en-deçà de laquelle l'aube (20) peut rester en service sur le disque (12) malgré les déformations qu'elle subit, et l'élément de soutien (30) possède un comportement plastique dans une gamme d'énergie des impacts qui induiraient, en l'absence dudit élément de soutien (30), des déformations de l'aube (20) supérieures ou égales à ladite tolérance.
8. 8. Rotor (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l'élément de soutien (30) comprend une bande (32) dont les extrémités comprennent chacune une attache (34, 36) pour la fixation de l'élément de soutien (30) au disque.
9. 9. Rotor (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le matériau de l'élément de soutien (30) est précontraint.
10. 10. Soufflante (200) de turbomachine (100) comprenant un rotor (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.