FR3140119A1 - Disque d’essai de disque rotatif de turbomachine - Google Patents
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Abstract
Disque d’essai (1) destiné à simuler l’éclatement en rotation d’un disque de turbomachine, le disque d’essai (1) étant centré sur un axe (A), le disque d’essai (1) s’étendant radialement par rapport à l’axe (A) depuis un moyeu (4) délimitant un alésage central du disque d’essai (1), l’alésage central (5) s’étendant autour de l’axe (A), l’alésage central (5) présentant au moins une irrégularité formée en creux ou en relief. Figure pour l’abrégé : Fig. 1
Description
L’invention concerne le domaine des disques d’essais rotatifs de turbomachine et en particulier des disques d’essais de turbine haute-pression.
Pour réaliser les disques rotatifs de turboréacteurs, et notamment les disques de turbine haute-pression, on recherche des matériaux qui offrent des caractéristiques mécaniques avancées notamment à hautes températures.
Un point clé est le comportement et la tenue statique du disque en condition de survitesse, c’est-à-dire lorsque le disque tourne à une vitesse angulaire (ou régime) supérieure à la vitesse angulaire nominale (ou régime nominal). Cette survitesse peut provenir de certaines pannes de fonctionnement : rupture d’arbre, ou mauvaise régulation comme une panne de vannes dans la partie compresseur. De telles vannes sont par exemple des vannes de décharge variables également connues sous la dénomination anglaise «Variable Bleed Vane» abrégée en VBV ou des aubes à calage variables également connues sous la dénomination anglaise «Variable Stator Vane» abrégée en VSV.
Pour réaliser des disques de plus en plus résistants, de nouveaux matériaux et en particulier de nouveaux alliages sont développés. Il est nécessaire de les tester pour évaluer leur comportement, en établir des modèles de rupture et déterminer des dimensionnements possibles de disque rotatif.
Des modèles de rupture sont des lois de comportement du matériau qui gouvernent le passage entre plasticité et éclatement.
Les essais d’un disque rotatif se divisent en trois phases. Dans une première phase, des essais de traction sur éprouvettes sont réalisés pour établir des courbes d’écrouissage et des modèles de rupture. Dans une seconde phase, des disques d’essai également appelés « disques simulacres », qui sont souvent de taille réduite par rapport au disque rotatif final, sont soumis à des tests de rupture. Enfin, dans une troisième phase les essais portent sur un disque présentant la taille du disque rotatif final.
Le disque d’essai utilisé en deuxième phase est conçu pour étudier un type de rupture particulier dans une zone particulière dite zone critique. Un tel disque d’essai est destiné à simuler l’éclatement en rotation d’un disque rotatif dans la zone critique. Cette zone critique présente une géométrie représentative d’une zone correspondante du disque rotatif final. Cette zone du disque rotatif final est susceptible de se rompre en condition de survitesse, le disque subissant sous l’action d’un certain type de contraintes des déformations irréversibles dans cette zone, appelée aussi zone plastifiée. Le disque d’essai doit pouvoir simuler cet éclatement dans la zone critique sous l’action d’un même type de contraintes.
Le disque rotatif final présente plusieurs zones critiques, un type de disque d’essai ou disque simulacre est conçu pour chacune d’entre elles. Une comparaison entre des résultats expérimentaux et des résultats de simulation numérique permet de valider un modèle de rupture de la zone critique ayant à la fois une géométrie et un état de contrainte proches de ceux du disque rotatif final.
Il existe un besoin de réaliser des disques d’essai présentant pour une zone critique particulière des similitudes suffisantes avec le disque rotatif final pour simuler un éclatement du disque rotatif final dans cette zone critique.
Un but de l’invention est de proposer un disque d’essai présentant pour la zone critique particulière de la paroi radiale interne pour simuler un éclatement du disque rotatif final dans cette zone critique de manière plus satisfaisante que dans l’art antérieur.
Le but est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à un disque d’essai destiné à simuler l’éclatement en rotation d’un disque de turbomachine, le disque d’essai étant centré sur un axe, le disque d’essai s’étendant radialement par rapport à l’axe depuis un moyeu délimitant un alésage central du disque d’essai, l’alésage central s’étendant autour de l’axe, l’alésage central présentant au moins une irrégularité formée en creux ou en relief.
Un tel disque d’essai est avantageusement et optionnellement complété par les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison :
-l’alésage comprend une partie centrale et deux parties d’extrémité axiale, chaque partie d’extrémité axiale débouchant axialement sur une face latérale du disque d’essai, la partie centrale étant située entre les parties d’extrémité axiale par rapport à une direction axiale de l’axe, les parties d’extrémité axiale étant cylindriques à section circulaire, la partie centrale présentant autour de l’axe l’au moins une irrégularité, la partie centrale comprenant au moins deux points à deux distances radiales différentes vis-à-vis de l’axe ;
- un rapport d’un écart maximal entre une distance radiale d’un point de la partie centrale et le rayon des cylindres à section circulaire sur une longueur axiale de la partie centrale est supérieur ou égal à 1/15 et inférieur ou égal à 1/5 ;
- la partie centrale est concave, une section de la partie centrale par un plan axial présentant une forme elliptique, et de préférence une forme circulaire, l’axe passant par le plan axial ;
- la partie centrale comprend une sous-partie centrale et de deux sous parties périphériques, la sous-partie centrale étant située entre les sous-parties périphériques par rapport à la direction axiale, la sous-partie centrale étant un cylindre à section circulaire de même rayon que les cylindres des parties périphériques, les sous-parties périphériques étant concaves ;
- la partie centrale est convexe, une section de la partie centrale par un plan axial présentant une forme circulaire, l’axe passant par le plan axial ; et
- le disque d’essai étant un disque d’essai d’éclatement de disque de turbine-haute pression de turbomachine.
L’invention porte également sur un banc d’essai d’éclatement de disque rotatif comprenant un disque d’essai tel qu’on l’a présenté plus haut, un système de mise en rotation du disque d’essai autour de l’axe, et un capteur de vitesse de rotation du disque d’essai.
Enfin l’invention aussi sur un procédé d’essai en éclatement destiné à simuler l’éclatement en rotation d’un disque de turbomachine comprenant les étapes suivantes :
- fourniture d’un disque d’essai tel qu’on l’a présenté plus haut,
- mise en rotation du disque d’essai autour de l’axe,
- augmentation d’une vitesse de rotation du disque d’essai jusqu’à éclatement du disque d’essai, et
- détermination d’une vitesse d’éclatement du disque d’essai
- fourniture d’un disque d’essai tel qu’on l’a présenté plus haut,
- mise en rotation du disque d’essai autour de l’axe,
- augmentation d’une vitesse de rotation du disque d’essai jusqu’à éclatement du disque d’essai, et
- détermination d’une vitesse d’éclatement du disque d’essai
Un tel procédé est avantageusement et optionnellement complété par une étape de modification d’une géométrie de l’au moins une irrégularité de l’alésage pour modifier la vitesse d’éclatement du disque d’essai.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
les figures 2 à 8 sont des coupes schématiques dans un plan axial d’un détail d’un disque d’essai d’éclatement selon différents modes de réalisation de l’invention.
Un disque rotatif de turbomachine, et notamment un disque de turbine haute-pression présente plusieurs zones critiques, c’est-à-dire plusieurs régions du disque où il est susceptible de rompre en condition de survitesse.
Une de ces zones critiques correspond à l’alésage central du disque, c’est-à-dire la région du disque qui entoure et qui est directement en regard de l’axe central du disque.
En régime de survitesse, la zone critique de l’alésage peut être soumise à différentes formes de contrainte.
Dans le cas le plus courant dit de contrainte bi-axiale, et notamment le cas des disques rotatifs de turbine haute pression, la forme de contrainte est donnée par
- une composante selon la direction axiale, c’est-à-dire une composante dirigée parallèlement à l’axe central du disque - elle correspond à une compression axiale - et
- une composante selon la direction circonférentielle -ou tangentielle -, c’est-à-dire une composante dirigée perpendiculairement à l’axe central du disque et perpendiculairement à un rayon du disque passant par le point d’application de la contrainte - elle correspond à une traction circonférentielle -.
Dans un autre cas dit de contrainte bi-axiale étalée, l’état de contrainte peut avoir cette même forme donnée par les deux composantes mais sur une zone plastifiée plus étalée axialement.
Dans un autre cas encore dit de contraintes mixtes, l’état de contrainte peut avoir cette même forme bi-axiale donnée par les deux composantes mais aux extrémités de l’alésage tandis que la contrainte est uni-axiale selon une direction circonférentielle au centre de l’alésage. Les contraintes bi-axiales aux extrémités peuvent par exemple provenir d’un supplément de contraintes axiales provenant d’un gradient thermique durant une certaine phase de vol, alors que les contraintes uni-axiales au centre proviennent, elles, du régime de rotation.
Enfin dans un dernier cas dit de contraintes uni-axiales, les disques de turbine haute pression simulé présentent un état de contrainte uni-axial selon une zone plastifiée étalée.
Un disque d’essai pour simuler un éclatement d’un disque rotatif final de turbomachine dans la zone critique de l’alésage doit présenter le même type de contraintes que le disque rotatif final.
Il est à noter qu’un disque d’essai présente lui aussi différentes zones critiques, c’est-à-dire différentes régions où il est susceptible de se rompre à partir d’une certaine vitesse de rotation (ou régime) nommée vitesse d’éclatement (ou régime d’éclatement).
Un disque d’essai pour simuler un éclatement dans la zone critique de l’alésage doit présenter une marge suffisante entre le régime d’éclatement pour cette zone d’alésage et le régime d’éclatement d’une autre de ses zones critiques. Cette marge doit être suffisamment élevée pour couvrir à la fois les incertitudes sur les lois de comportement du matériau testé, les incertitudes du critère de rupture et les incertitudes du modèle de calcul des régimes d’éclatement.
Disque d’essai pour simuler un éclatement dans la zone critique de l’alésage central
En rapport avec les figures 1 à 3, un objet de l’invention est un disque d’essai 1 destiné à simuler l’éclatement en rotation d’un disque de turbomachine. Le disque d’essai 1 est centré sur un axe central A et le disque 1 s’étend radialement par rapport à l’axe central A depuis un moyeu 4 jusqu’à une paroi externe 3. Le moyeu 4 comprend notamment une paroi interne 5 ou alésage central 5 en regard de l’axe central A.
Dans une direction axiale de l’axe central A, le disque 1 s’étend depuis une paroi amont à une paroi aval.
L’alésage central 5 entoure l’axe A et est en regard direct de l’axe A. Cet alésage débouche dans la paroi amont et la paroi aval de sorte que l’alésage traverse le disque 1 de part en part selon la direction axiale.
La paroi externe 3 entoure la paroi interne 5 et l’axe A.
Le disque d’essai 1 comprend un corps radial interne 11 ou poireau 11 limité côté radial interne par la paroi interne 5.
Le disque d’essai 1 comprend un corps radial intermédiaire 9 ou toile 9 qui est situé radialement plus à l’extérieur que le corps radial interne 11.
Le disque d’essai 1 comprend un corps radial externe 7 ou jante 7 qui est situé radialement plus à l’extérieur que le corps radial intermédiaire 9. Le corps radial externe 7 ou jante 7 est limité côté radial externe par la paroi externe 7.
Le corps radial interne 11 ou poireau 11 présente une longueur axiale, c’est-à-dire une longueur mesurée dans la direction axiale parallèle à l’axe central A, qui est plus faible que la longueur axiale du corps radial externe 7. Plus précisément, la longueur axiale du corps radial 7 est supérieure à la longueur axiale du corps radial interne 11, avec un écart relatif pouvant atteindre 50%.
Cela permet d’avoir un corps radial externe 7 de plus grandes dimensions, et donc de masse plus importante.
Cela permet de :
- simuler un effort centrifuge supérieur,
- de charger la partie basse du disque simulacre, c’est-à-dire de soumettre la partie du disque d’essai à des charges ou des efforts plus importants,
- de mieux simuler un disque de turbine haute pression à l’échelle un dans le cas d’un chargement important provenant de l’effort centrifuge exercé sur les aubes, et retenu par la partie basse du disque.
Le corps radial intermédiaire 9 ou toile 9 présente une longueur axiale qui est significativement plus faible. Plus précisément, la longueur axiale du corps radial intermédiaire 9 est inférieure à la longueur axiale du corps radial interne 11 avec un écart relatif supérieur ou égal à 20%.
Le disque d’essai 1 comprend une première zone de transition entre le corps radial interne 11 et le corps radial intermédiaire 9 dans laquelle la longueur axiale diminue à mesure que l’on s’éloigne de l’axe.
Le disque d’essai 1 comprend une deuxième zone de transition entre le corps radial intermédiaire 9 le corps radial externe 7 dans laquelle la longueur axiale augmente à mesure que l’on s’éloigne de l’axe.
Le disque d’essai 1 présente une symétrie de révolution autour de l’axe central A. Il est à noter que le disque d’essai lors d’un essai est fixé par une virole à un système d’entraînement en rotation. En rapport avec la , une virole 10 est fixée à la toile 9 du disque d’essai 1. La virole 10 est elle-même rapportée au système d’entraînement en rotation.
Le disque d’essai 1 présente également une symétrie par rapport à un plan central P perpendiculaire à l’axe A. Le plan central P est un plan radial illustré en . Cette symétrie permet d’éviter un pivotement du disque d’essai sur son axe central A lorsqu’il est mis en rotation. Un pivotement correspond à une rotation du disque autour d’une direction perpendiculaire à l’axe central.
Pour chaque objet du disque, on peut définir :
- une direction radiale qui est la direction passant par l’objet et qui est perpendiculaire à l’axe,
- une direction circonférentielle qui est la direction perpendiculaire à l’axe et la direction radiale de l’objet,
- un plan radial qui est le plan défini par la direction radiale et la direction circonférentielle, et
- un plan axial qui est le plan défini par l’axe et la direction radiale.
L’alésage 5 présente tout autour de l’axe A au moins l’un parmi un renfoncement éloignant l’alésage 5 de l’axe A et un renflement rapprochant l’alésage 5 de l’axe A. Autrement dit, l’alésage central 5 présente au moins une irrégularité formée en creux - renfoncement éloignant l’alésage 5 de l’axe- ou en relief - renflement rapprochant l’alésage 5 de l’axe A-.
L’alésage ou paroi interne 5 comprend possiblement un renfoncement, un renflement, on encore un renfoncement et un renflement. Le renfoncement ou le renflement est présent tout autour de l’axe A, c’est-à-dire qu’il est localisé axialement dans une zone de la paroi interne 5 et qu’il s’étend circonférentiellement autour de l’axe sur 360 degrés.
On définit une distance radiale d’un point de la paroi interne 5 à l’axe comme la distance mesurée selon une direction perpendiculaire à l’axe, la direction passant par l’axe et le point. Par exemple, et comme illustré en , la partie centrale comprend les points P1 et P2 dont les distances radiales sont respectivement d1 et d2. La distance d2 est supérieure à la distance d1. La distance à un point est dite radiale vis-à-vis de l’axe au sens où c’est une distance mesurée selon une direction perpendiculaire à l’axe, la direction passant par l’axe et le point.
Un renfoncement éloigne la paroi 5 de l’axe A au sens où un renfoncement est une zone de la paroi interne 5 sensiblement plus éloignée de l’axe A, c’est-à-dire que dans cette zone de renfoncement la distance axiale d’un point est supérieure à la distance axiale des points situés dans les zones de la paroi adjacentes du renfoncement. La illustre une situation de renfoncement, la partie centrale de 51 de la paroi interne étant sensiblement plus éloignée de l’axe A que les parties périphériques 53, 55.
Un renflement rapproche la paroi 5 de l’axe A au sens où un renflement est une zone de la paroi interne 5 sensiblement plus proche de l’axe A, c’est-à-dire que dans cette zone de renflement la distance axiale d’un point est inférieure à la distance axiale des points situés dans les zones de la paroi adjacentes du renflement.
La présence d’un renfoncement et/ou d’un renflement signifie que la distance radiale varie selon des zones de la paroi interne 5. Ce degré de liberté permet de modifier la forme des contraintes qui s’appliquent au disque d’essai 1 lorsqu’il est mis en rotation. Les contraintes peuvent définir des zones plastifiées plus ou moins étalées selon la direction axiale. Elles peuvent être plus ou moins bi-axiales ou uni-axiales, c’est-à-dire être réparties selon une composante axiale et une composante tangentielle ou seulement selon une composante tangentielle. Il est ainsi possible d’ajuster la forme de la paroi interne à la forme de contraintes souhaitée.
De manière préférée, la paroi interne 5 - ou alésage 5 -est constituée de trois parties :
- une partie centrale 51 et
- deux parties d’extrémité axiale - ou parties périphériques - 53, 55.
La partie centrale 51 est située entre les parties d’extrémité axiale – ou périphériques - 53, 55 par rapport à une direction axiale de l’axe A.
Chaque partie d’extrémité axiale 53, 55 débouche axialement sur une face latérale du disque d’essai 1. Le disque d’essai 1 comprend deux faces latérales qui sont séparées axialement par la longueur axiale du disque d’essai 1. Les faces latérales sont globalement orientées selon une direction orthogonale à l'axe central. Les deux faces latérales sont opposées l’une à l’autre au sens où en parcourant axialement le disque on atteint une première face en parcourant axialement le disque selon un premier sens et on atteint la deuxième face en parcourant axialement le disque selon un deuxième sens opposé au premier sens.
La partie centrale 51 comme les parties d’extrémité axiale – ou parties périphériques - 53, 55 entourent intégralement l’axe central A.
La partie centrale 51 est symétrique par rapport au plan central P perpendiculaire à l’axe A. Les parties d’extrémité axiale – ou parties périphériques - 53, 55 sont les symétriques réciproques par rapport au plan central P.
On peut définir les points M1, M2, M3 et M4 illustrés en qui définissent les limites dans la direction axiale de la partie centrale et des parties périphériques. La est une coupe du disque par un plan axial. L’axe central A passe par tout plan axial. La ne représente le disque que d’un côté de l’axe central A, l’autre côté étant symétrique par rapport à l’axe A.
Tout plan axial définit une section la paroi interne 5.
Le point M1 est une extrémité axiale de la section de la paroi interne et de la partie périphérique 53.
Le point M2 est situé à l’intersection entre la partie périphérique 53 et la partie centrale 51.
Le point M3 est situé à l’intersection entre la partie périphérique 51 et la partie centrale 51. Le point M3 est le symétrique du point M2 par rapport au plan central P.
Le point M4 est une extrémité axiale de la section de la paroi interne et de la partie périphérique 55. Le point M4 est le symétrique du point M1 par rapport au plan central P.
Les parties périphériques 53, 55 de la paroi interne sont cylindriques, c’est-à-dire que les parties périphériques sont des cylindres à section circulaire. Les cylindres sont centrés sur l’axe A de sorte que la distance à l’axe (prise dans une direction radiale perpendiculaire à l’axe) d’un point de la partie périphérique est constante sur chaque partie périphérique et constante d’une partie périphérique à l’autre. Autrement dit tout plan tangent en un point de l’une des parties périphériques est un plan qui ne croise pas l’axe A, le plan tangent étant défini par une direction parallèle à l’axe et une direction tangentielle passant par le point.
En référence à la , on peut désigner par Rrefou rayon de référence le rayon des cylindres à section circulaire qui est commun aux deux parties périphériques 53, 55.
C’est la partie centrale 51 de la paroi interne 5 qui présente tout autour de l’axe au moins l’un parmi le renfoncement et le renflement, c’est-à-dire l’au moins une irrégularité formée en creux ou en relief. Dans cette situation, la partie centrale 51 comprend deux points séparés de l’axe par deux distances radiales, les deux distances radiales étant différentes.
Autrement dit, la partie centrale présente une distance à l’axe qui varie d’un point à un autre. De manière équivalente, la partie centrale présente au moins un plan tangent T, le plan tangent et l’axe A ayant une intersection qui est un point. On a représenté en le plan tangent T qui passe par le point P1.
Le plan tangent en un point de la partie centrale est défini par une direction tangentielle passant par le point et une direction qui peut être oblique à l’axe. Il y a au moins un plan tangent à la partie centrale qui est défini par une telle direction oblique à l’axe.
En rapport avec la et de manière préférentielle, un rapport d’un écart maximal entre une distance radiale d’un point de la partie centrale et le rayon Rrefdes cylindres à section circulaire sur une longueur L axiale de la partie centrale est supérieur ou égal à 1/15 et inférieur ou égal à 1/5.
L’écart maximal entre une distance radiale d’un point de la partie centrale et le rayon Rrefdes cylindres à section circulaire peut être obtenu pour un point extrême de la partie centrale qui est le plus éloigné de l’axe ou au contraire le plus proche de l’axe.
La distance radiale d’un point de la partie centrale peut être notée d en général et l’écart entre cette distance et le rayon Rrefest la valeur absolue de la différence entre ces valeurs : │d - Rref│.
Au point extrême de la partie centrale qui est le plus éloigné de l’axe ou au contraire le plus proche de l’axe, la distance radiale est notée dext.
En tout point de la partie centrale, on a │d - Rref│ ≤ │ dextr- Rref│.
La longueur L axiale de la partie centrale est mesurée parallèlement à l’axe A entre les points M2 et M3.
On peut écrire mathématiquement la condition préférée :
1/15 ≤ │ dextr- Rref│/ L ≤ 1/5.
La forme de la partie centrale peut être courbe. En particulier elle peut présenter une forme circulaire, elliptique ou résulter d’une combinaison de différentes formes circulaires de rayons différents.
Disque d’essai pour simuler un éclatement dans la zone critique de l’alésage central -cas de contrainte bi-axiale
Dans un premier mode de réalisation en rapport avec les figures 3 et 4, la partie centrale est choisie concave, une section de la partie centrale par un plan axial présentant une forme circulaire, l’axe passant par le plan axial.
L’expression concave est comprise ici comme creuse, autrement dit la partie centrale présente une distance radiale à l’axe plus importante que les parties périphériques. Dans ce premier mode, la paroi interne 5 présente un renfoncement.
Dans chaque plan axial, la partie centrale d’un côté de l’axe A prend la forme d’un arc de cercle dont le centre de courbure est situé du côté de la partie centrale où se trouve l’axe A.
La partie centrale entre les points M2 et M3 est creusée par rapport aux parties périphériques selon une forme circulaire. Cette forme circulaire présente un centre O et un rayon r. Le centre O se situe sur le plan P central de symétrie du disque.
La est une coupe dans un plan axial qui représente le centre O et le rayon r.
Ce premier mode de réalisation permet tout d’abord que la zone plastique du disque, zone 13 représentée en , ne s’étend pas sur toute la longueur axiale de la paroi interne, c’est-à-dire sur toute la longueur axiale de l’alésage. La forme de la zone plastifiée 13 a une influence sur l’état de contrainte, et elle permet ici d’obtenir une contrainte bi-axiale recherchée comprenant une composante axiale de compression et une composante circonférentielle de traction.
Ce premier mode de réalisation permet également une vitesse d’éclatement plus faible. Une telle baisse de la vitesse d’éclatement permet de mettre en œuvre des tests d’éclatement avec des bancs d’essai moins performants et donc moins couteux.
Enfin, dans ce premier mode la présence de la concavité vient concentrer les contraintes sur celle-ci. La zone d’alésage est fragilisée par rapport aux autres zones du disque. De cette manière, les marges entre les vitesses d’éclatement de la zone d’alésage par rapport aux autres zones critiques augmentent, ce qui permet d’être moins sensible aux incertitudes des caractéristiques du nouveau matériau testé. Cela favorise les chances de réussir l’essai, car l’éclatement obtenu avec un tel disque d’essai a de très grandes chances d’être obtenu dans la zone d’alésage.
Disque d’essai pour simuler un éclatement dans la zone critique de l’alésage central -cas de contrainte bi-axiale étalée
Dans un deuxième mode de réalisation en rapport avec la , la partie centrale est choisie concave, une section de la partie centrale par un plan axial présentant une forme elliptique, l’axe passant par le plan axial. Dans ce deuxième mode, la paroi interne 5 présente un renfoncement.
Dans chaque plan axial, la partie centrale d’un côté de l’axe A prend la forme d’une portion d’ellipse définie par un centre, un demi-grand axe et un demi-petit axe. Le centre de courbure de la portion d’ellipse est situé du côté de la partie centrale où se trouve l’axe A. Le centre est également situé sur le plan P central de symétrie du disque.
La partie centrale entre les points M2 et M3 est creusée par rapport aux parties périphériques selon une forme elliptique.
La est une coupe dans un plan axial qui représente le centre B de la portion elliptique, son demi-grand axe radirigé selon la direction axiale et son demi-petit axe rrdirigé selon la direction radiale.
La représente le cas particulier où le centre B se situe à une distance radiale à l’axe qui est égale au rayon de référence Rref, mais d’autres situations sont possibles, notamment le centre B peut se situer à une distance radiale à l’axe qui est inférieure au rayon de référence.
Ce deuxième mode de réalisation est adapté pour simuler un éclatement d’un disque de turbine haute pression dont l’état de contrainte est bi-axiale avec une zone plastique étalée. On choisira notamment un demi-grand axe selon la direction axiale significativement plus important que le demi-petit axe. En pratique, ce rapport peut être choisi inférieur ou égal à 1/5.
Disque d’essai pour simuler un éclatement dans la zone critique de l’alésage central -cas de contraintes mixtes
Dans un troisième mode de réalisation en rapport avec la , la partie centrale comprend une sous-partie centrale 511 et de deux sous parties périphériques 513,515. La sous-partie centrale 511 est située entre les sous-parties périphériques 513,515 par rapport à la direction axiale. La sous-partie centrale 511 est un cylindre à section circulaire de même rayon que les cylindres des parties périphériques 53, 55, c’est-à-dire le rayon de référence. Les sous-parties périphériques 513, 515 sont concaves. Dans ce troisième mode, la paroi interne 5 présente deux renfoncements.
La sous-partie centrale 511 est symétrique par rapport au plan central P perpendiculaire à l’axe A. Les sous-parties périphériques 513, 515 sont les symétriques réciproques par rapport au plan central P.
On peut définir les points M5 et M6 illustrés en qui définissent les limites dans la direction axiale de la sous-partie centrale 511 et des sous-parties périphériques 513,515.
Les points M5 et M6 sont situés dans la partie centrale entre les points M2 et M3.
Le point M5 est situé à l’intersection entre la sous-partie périphérique 513 et la sous-partie centrale 511.
Le point M6 est situé à l’intersection entre la sous-partie périphérique 515 et la sous-partie centrale 511.
Dans chaque plan axial, la partie centrale d’un côté de l’axe A prend :
- une forme parallèle à l’axe au niveau de la sous-partie centrale,
- une forme concave au niveau des sous-parties périphériques ; le centre de courbure de ces formes concaves est situé du côté de la partie centrale où se trouve l’axe A.
Les formes concaves peuvent notamment être circulaires, elliptiques ou résulter d’une combinaison de différentes formes circulaires de rayons différents.
Ce troisième mode de réalisation est adapté pour simuler un éclatement d’un disque de turbomachine lorsque :
- l’état de contrainte a une forme bi-axiale donnée par les deux composantes aux extrémités de l’alésage, et
- un état de contrainte uni-axiale selon une direction circonférentielle au centre de l’alésage.
Disque d’essai pour simuler un éclatement dans la zone critique de l’alésage central -cas de contraintes uni-axiales
Dans un troisième mode de réalisation en rapport avec la , la partie centrale est choisie convexe, une section de la partie centrale par un plan axial présentant une forme circulaire, l’axe passant par le plan axial
L’expression convexe est comprise ici comme en saillie, autrement dit la partie centrale présente une distance radiale à l’axe moins importante que les parties périphériques. Dans ce quatrième mode, la paroi interne 5 présente un renflement.
Dans chaque plan axial, la partie centrale d’un côté de l’axe A prend la forme d’un arc de cercle dont le centre de courbure est situé du côté de la partie centrale où ne se trouve pas l’axe A.
La partie centrale entre les points M2 et M3 est en saillie par rapport aux parties périphériques selon une forme circulaire. Cette forme circulaire présente un centre O’ et un rayon r’. Le centre O’ se situe sur le plan P central de symétrie du disque.
La est une coupe dans un plan axial qui représente le centre O’ et le rayon r’.
Ce quatrième mode de réalisation est adapté pour simuler un éclatement d’un disque de turbomachine qui présente un état de contrainte très uni-axial selon une zone plastifiée étalée.
Un objet de l’invention est un banc d’essai d’éclatement de disque rotatif qui comprend un disque d’essai tel qu’on l’a décrit jusqu’à présent.
Le banc d’essai comprend également un système de mise en rotation du disque d’essai autour de l’axe, et un capteur de vitesse de rotation du disque d’essai.
Le disque d’essai est fixé par une virole à un système d’entraînement en rotation. Le disque d’essai est mis en rotation avec la virole. La structure « disque d’essai + virole » présente une géométrie différente de la géométrie du disque d’essai seul. En particulier la structure « disque d’essai + virole » ne présente pas de symétrie par rapport au plan central P, ou plus généralement à un plan orthogonal à l’axe central.
Un objet de l’invention est un procédé d’essai en éclatement destiné à simuler l’éclatement en rotation d’un disque de turbomachine.
Le procédé comprend les étapes suivantes.
Dans une première étape, on fournit un disque d’essai tel qu’on l’a décrit jusqu’à présent. Ce disque ne comprend aucune aube montée sur sa périphérie radiale externe.
Dans une première étape, on fournit un disque d’essai tel qu’on l’a décrit jusqu’à présent. Ce disque ne comprend aucune aube montée sur sa périphérie radiale externe.
Dans une deuxième étape, on met en rotation le disque d’essai autour de l’axe. La température du disque d’essai durant l’essai est choisie afin d’être représentative de la zone critique du disque de turbine haute pression en fonctionnement. En particulier, cette température peut être choisie entre 20°C et 800°C.
Dans une troisième étape on augmente une vitesse de rotation du disque d’essai jusqu’à éclatement du disque d’essai.
La zone d’éclatement est normalement la zone d’alésage lorsque le disque d’essai 1 utilisé est tel qu’on l’a décrit plus haut.
Dans une quatrième étape, on détermine la vitesse d’éclatement du disque. C’est la vitesse de rotation mesurée par le capteur au moment de l’éclatement.
En option du procédé, on peut modifier dans une cinquième étape une géométrie de l’au moins une irrégularité de l’alésage pour modifier la vitesse d’éclatement du disque d’essai.
Cette modification locale de la géométrie de l’alésage du disque d’essai permet par exemple d’augmenter les contraintes axiales de compression. Elle rend le disque d’essai plus représentatif d’un disque de turbine échelle 1.
En deuxième option du procédé, on peut modifier dans une sixième étape un disque de turbine en fonction de la vitesse d’éclatement déterminée. En particulier on peut déterminer les dimensions du disque rotatif final grâce à ce résultat de vitesse d’éclatement.
Claims (10)
- Disque d’essai (1) destiné à simuler l’éclatement en rotation d’un disque de turbomachine, le disque d’essai (1) étant centré sur un axe (A), le disque d’essai (1) s’étendant radialement par rapport à l’axe (A) depuis un moyeu (4) délimitant un alésage central du disque d’essai (1), l’alésage central (5) s’étendant autour de l’axe (A),
l’alésage central (5) présentant au moins une irrégularité formée en creux ou en relief. - Disque d’essai (1) selon la revendication 1 dans lequel l’alésage (5) comprend une partie centrale (51) et deux parties d’extrémité axiale (53, 55), chaque partie d’extrémité axiale débouchant axialement sur une face latérale du disque d’essai, la partie centrale (51) étant située entre les parties d’extrémité axiale (53, 55) par rapport à une direction axiale de l’axe, les parties d’extrémité axiale (53, 55) étant cylindriques à section circulaire, la partie centrale (51) présentant autour de l’axe l’au moins une irrégularité, la partie centrale (51) comprenant au moins deux points (P1, P2) à deux distances (d1, d2) radiales différentes vis-à-vis de l’axe.
- Disque d’essai (1) selon la revendication 2 dans lequel un rapport d’un écart maximal entre une distance radiale d’un point de la partie centrale (51) et le rayon des cylindres à section circulaire sur une longueur (L) axiale de la partie centrale (51) est supérieur ou égal à 1/15 et inférieur ou égal à 1/5.
- Disque d’essai (1) selon la revendication 2 ou 3 dans lequel la partie centrale (51) est concave, une section de la partie centrale (51) par un plan axial présentant une forme elliptique, et de préférence une forme circulaire, l’axe passant par le plan axial.
- Disque d’essai (1) selon la revendication 2 ou 3 dans lequel la partie centrale (51) comprend une sous-partie centrale (511) et de deux sous parties périphériques (513, 515), la sous-partie centrale (511) étant située entre les sous-parties périphériques (513, 515) par rapport à la direction axiale, la sous-partie centrale (511) étant un cylindre à section circulaire de même rayon que les cylindres des parties périphériques (53, 55), les sous-parties périphériques (513, 515) étant concaves.
- Disque d’essai (1) selon la revendication 2 ou 3 dans lequel la partie centrale (51) est convexe, une section de la partie centrale par un plan axial présentant une forme circulaire, l’axe passant par le plan axial.
- Disque d’essai (1) selon l’une des revendications 1 à 6 le disque d’essai étant un disque d’essai d’éclatement de disque de turbine-haute pression de turbomachine.
- Banc d’essai d’éclatement de disque rotatif comprenant
un disque d’essai (1) selon l’une des revendications 1 à 7,
un système de mise en rotation du disque d’essai autour de l’axe, et
un capteur de vitesse de rotation du disque d’essai. - Procédé d’essai en éclatement destiné à simuler l’éclatement en rotation d’un disque de turbomachine comprenant les étapes suivantes :
- fourniture d’un disque d’essai selon l’une des revendications 1 à 7,
- mise en rotation du disque d’essai autour de l’axe,
- augmentation d’une vitesse de rotation du disque d’essai jusqu’à éclatement du disque d’essai, et
- détermination d’une vitesse d’éclatement du disque d’essai. - Procédé selon la revendication 9, comprenant en outre une étape de modification d’une géométrie de l’au moins une irrégularité de l’alésage pour modifier la vitesse d’éclatement du disque d’essai.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| FR2209616A FR3140119A1 (fr) | 2022-09-22 | 2022-09-22 | Disque d’essai de disque rotatif de turbomachine |
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| FR2209616 | 2022-09-22 | ||
| FR2209616A FR3140119A1 (fr) | 2022-09-22 | 2022-09-22 | Disque d’essai de disque rotatif de turbomachine |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| FR3140119A1 true FR3140119A1 (fr) | 2024-03-29 |
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Family Applications (1)
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| FR2209616A Pending FR3140119A1 (fr) | 2022-09-22 | 2022-09-22 | Disque d’essai de disque rotatif de turbomachine |
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| FR (1) | FR3140119A1 (fr) |
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| CN114235425A (zh) * | 2021-12-13 | 2022-03-25 | 中国船舶重工集团公司第七0三研究所 | 一种燃气轮机空心涡轮盘高温旋转试验装置 |
-
2022
- 2022-09-22 FR FR2209616A patent/FR3140119A1/fr active Pending
Patent Citations (3)
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