Brevet FR2029651A1 — publié le 19701023

i 2029651 Lâ-présente invention concerne le perfectionnement des turbo-machines et plus particulièrement des rotors à ailettes des turbo-raachines. Il est connu depuis longtemps que les ailettes des rotors, 5 des compresseurs et des turbines ont des fréquences propres de vibration et que les perturbations cycliqu.es de la pression dans les courants de fluides passant entre les ailettes ont habituellement lieu à ces fréquences. Les vibrations sur le mode en torsion ont une importance particulière. Quand les vibrations des ailettes 10 sont provoquées par les perturbations cycliques de la pression du fluide, même pendant une durée relativement courte, il peut en résulter la destruction d'une ailette et par suite une diminution de la puissance fournie par la turbine ou le compresseur. De nombreux facteurs influent sur la fréquence propre de 15 vibration d'une ailette d'un type donné, dont l'un des plus importants est le rapport d'aspect, c'est-à-dire l'allongement du profil ou rapport entre la longueur de l'ailette et la longueur de la corde de l'ailette cambrée. Il peut être considéré d'une façon générale que la fréquence propre est plus basse quand le 20 rapport est plus important. Dans de nombreux cas, les constructions de forme aérodynamique permettent un rapport d'allongement relativement faible de sorte que la fréquence propre des ailettes est suffisamment élevée pour éviter l'excitation par les perturbations de la près- s 25 sion du courant de fluide à travers une série circulaire d'ailettes Cependant, des considérations aérodynamiques ou des considérations pratiques,telles que le poids, peuvent empêcher l'utilisation de rapports d'allongement suffisamment faibles pour éviter le problème résultant de la vibration propre. Ce dernier cas -ejçiste-30 praticulièrement dans des compresseurs basse pression de grand diamètre utilisés pour la propulsion des avions et habituellement appelés des soufflantes. Quand il est nécessaire d'utiliser des ailettes ayant des rapports importants d'allongement, il est de pratique courante 35 d'utiliser des éléments de calage aux extrémités des ailettes. Ces éléments de calage ont la forme de plaquettes dépassant latéralement des surfaces opposées des ailettes. Ces éléments de calage 70 03207 2 2029651 peuvent augmenter la fréquence propre des ailettes et de plus viennent en contact les uns avec les autres pour limiter ou restreindre l'amplitude des vibrations induites en assurant en mime temps un effet amortisseur.limitant l'excitation des vibrations. 5 des ailettes. Habituellement, ces éléments de calage sont portés par: les ailettes à partir desquelles ils dépassent. Il en résulte une augmentation du poids de chaque ailette et par suite une augmentation des.forces radiales devant être supportées par le rotor 10 portant les ailettes. Ces forces supérieures exercées sur le rotor imposent une•augmentation de la masse de métal pour obtenir une résistance suffisante du rotor. Le résultat global représente une augmentation appréciable du poids du rotor d'une turbine ou d'un compresseur. Il en résulte une augmentation sévère. 15 du poids global particulièrement importante dans le cas des moteurs à turbine à gaz ou des soufflantes utilisées pour la propulsion d'un avion. Il peut être noté que des cales sont utilisées à mi-longueur pour minimiser l'augmentation de poids même si elles provoquent des pertes aérodynamiques dans l'écoulement du fluide 20 à travers la série d'ailettes. Les problèmes vibratoires considérés ci-dessus existent en général pour toutes les ailettes des turbomachines. Ces problèmes sont encore plus importants quand les ailettes des turbomachines sont formées de matériaux composites, en particulier des matériaux 25 contenant des filaments d'une grande résistance, par exemple des filaments de bore ou de graphite noyés dans une matrice homogène, par exemple de l'aluminium ou une matière plastique. Ces ailettes en matériaux composites sont encore plus sujettes à des vibrations basse fréquence indésirables, parce que leurs modules d'élas-30 ticité en torsion sont relativement faibles, étant à noter que la fréquence propre dans le cas des vibrations en torsion est directement proportionnelle à la racine carrée du module d'élasticité en torsion. Une autre difficulté dans le cas des ailettes en matériaux composites est que les caractéristiques de résistai ce 35 unidirectionnelles des filaments rendent difficiles,si ce n'est impossible, la formation d'éléments de calage tels que des: talons venus de matière aux extrémités ou à mi-distance pour éviter 70 03207 3 2029651 les vibrations de la façon possible pour les ailettes en métal homogène. Ces inconvénients ont empêché l'utilisation généralisée des matériaux composites pour les soufflantes de grand diamètre pour 5 lesquelles le gain du poids serait cependant particulièrement intéressant. La présente invention a pour objet de réduire ou même d'éliminer pratiquement les difficultés résultant des vibrations destructives des ailettes des rotors des turbomachines. L'inven» 10 tion a aussi pour objet de permettre l'utilisation d'ailettes de rotor ayant des allongements à rapports élevés et aussi de permettre l'utilisation d'ailettes en matériaux composites pour une réduction maximale du poids des rotors des soufflantes de grand diamètre. 15 Ces -objets de l'invention sont obtenus conformément à l'in vention en formant un rotor comportant un bandage extérieur sous la forme d'un cercle d'une seule pièce, et un disque central monté pour tourner autour d'un axe donné. Le rotor comporte des ailettes dépassant du disque central et dont les extrémités intérieures 20 sont fixées au disque. Le bande comporte des évidements ouverts vers l'intérieur pour recevoir les extrémités extérieures des ailettes et pour positionner le bandage concentriquement au disque ainsi que pour le verrouiller afin qu'il tourne solidairement avec le disque. Des dispositifs assurent le verrouillage 25 des ailettes dans des positions radialement extérieures pour lesquelles les extrémités extérieures des ailettes sont engagées dans ces évidemerfcs, Ces dispositifs de verrouillage sont amovibles pour permettre le déplacement des aiiettes individuellement dans le sens radial vers l'intérieur pour dégager les extrémités des 30 évidements pour le démontage des ailettes. Cette combinaison facilite aussi l'assemblage du rotor. Suivant un mode de mise en oeuvre préféré de l'invention, le bandage extérieur est un élément composite formé d'une bande de métal homogène dans laquelle sont formés les évidements, le 35 bandage comportant de plus un cerclage composite enroulé autour de la surface extérieure de la bande métallique, ce cerclage étant formé d'un filament de grande résistance enroulé et noyé 70 03207 4 2029651 dans une matrice. Suivant un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, les ailettes du rotor sont formées d'un matériau compGsifce coraportant des filaments de grande résistance noyés dans une matrice et l'extrémité extérieure de chaque ailette étant munie 5 d'un bout métallique lié dépassant de l'ailette pour être engagé dans un évidement de la bande. Conformément à l'invention, un rotor de turbomachine cora-porte un disque central, des ailettes dépassant radialement du disque, et des dispositifè pour fixer les extrémités intérieures 10 des ailettes dans des positions déterminées sur le disque, le rotor étant en outre caractérisé par un bandage extérieur sous la forme d'un anneau d'une seule pièce et des évidements en fera a de cuvettes entre le bandage et les extrémités extérieures des ailettes pour positionner le bandage ooncentriquement au disque 15 et pour le verrouiller afin qu'il tourne solidairement avec le disque, les dispositifs de fixation des extrémités intérieures étant démontables pour permettre le démontage des ailettes. Les caractéristiques de lrinvention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple 20 et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique partiellement en coupe simplifiée d'un moteur à turbosouffiante; - la figure 2 est une coupe schématique longitudinale de la soufflante de la figure 1 suivant un mode de mise en oeuvre de 25 l'invention; - la figure 3 est une coupe suivant la ligne III-III de la figure 2; - la figure 4 est une vue en perspective d'une partie du rotor de la soufflante; 30 - la figure 5 suivant la ligne V-V de la figure 2, et - la figure 6 est une coupe suivant la ligne VI-VI de la figure 2. Le moteur à turbosouffiante représenté sur la figure 1 soa-prend un moteur central 10 qui engendre un courant de gaz chauds 35 entraînant une turbine 12 de soufflante ou compresseur basse pression. Cette turbine est couplée par un arbre 15 à un rotor de soufflante 14. Le rotor de la soufflante refoule de l'air comprimé à l'intérieur- d'un 70 03207 5 2029651 capotS annulaire 17.la partie extérieure du courant d'air sous pres-sionA^chappe à travers une tuyère annulaire de propulsion 19 définie en partie par l'extrémité aval du capot 19» La partie intérieure du courant d'air sous pression est refoulée dans le moteur central 5 dans lequel sa pression est à nouveau augmentée pour assurer la combustion du carburant pour la production du courant de gaz chauds. Après l'entraînement de la turbine de la soufflante, le courant de gaz chauds échappe à travers une tuyère de propulsion 21 pour produire une poussée supplémentaire de propulsion. 10 Les rotors des soufflantes à ailettes du type utilisé dans ces moteurs atteignent actuellement des diamètres relativement importants et des vitesses périphériques élevées aux extrémités des ailettes pour tirer le meilleur parti des possibilités de la turbosouffiante, en-particulier vers les extrémités afin d'obtenir 15 des rapports élevés de propulsion en by-pass pouvant atteindre 85$ de la force propulsive qui est fournie par l'échappement du. courant d'air de la soufflante à travers.une tuyère de propulsion. Le rotor décrit ci-après par rapport aux figures 2 à 5 con-r vient particulièrement pour des diamètres importants et pour le fonc-20 tionnement avec de grandes vitesses périphériques.des extrémité des ailettes. le rotor 14 comprend un disque 18 qui est monté sur l'arbre 15 pour être entraîné par celui-ci. Le disque comporte des encoches 21 en queue d'àr.onde formées dans le sens axial lon-25 gitudinal sûr son pourtour pour recevoir les talons 22 des extrémités intérieures des ailettes 24. Ces ailettes dépassent radialement vers l'extérieur jusqu'à un bande 26, et elles sont maintenues verrouillées par des clavettes de fixation 27 de la façon décrite plus en détail ci-après. 30 Les ailettes 24 sont avantageusement formées d'un matériau composite comportant de préférence des filaments de grande résistance disposés radialement (dont les dimensions sont très exagérées sur la figure 5) noyés dans une matrice convenable. "Une embase 31 formée par des rebords latéraux venus de matière avec le reste de 35 l'ailette 24 définit la limite intérieure d'écoulement à travers le rotor. Le disque ,18 comporte une série circulaire d'éléments plats 33 venus de matière et.concordant avec les embases des ailet 70 03207 6 2029651 tes 24 pour établir une surface circulaire continue de façon à protéger les•filaments des ailettes contre l'écrasement à leur jonction avec les embases 31 « Le bandage 26 comprend une bande annulaire métallique "28 5 ayant des nervures circulaires 32-dépassant radialement vers" l'extérieur à partir des bords opposés et des nervures circulai ras dépassant vers l'extérieur entre les nervures latérales 32. Ces nervures circulaires 32 et J>k constituent un joint labyrinthe coopérant avec une surface d'étanehéité formée à l'intérieur du 10 capot 17 dans lequel le courant d'air est mis sous pression par la soufflante. Des cercles composites 36 comportant des filaments enroulés autour (ie ]a bande scrfc disposés entre les nervures 32 et 34. Ces cercles peuvent avoir des résistances extrêmement élevées quand ils sont 15 formés de matières connues telles que des filaments en bore et en graphite (dont le diamètre est très exagéré sur les figures) dont Q les résistances à la traction sont de l'ordre de 175 à. 280 kg/mm et même plus. Ces filaments sont noyés d'une façon connue dans une matrice convenable, par exemple en résine époxyde ou en alu-20 minium. Ces bossages profilés 40 sont venus de matière et dépassent de la surface intérieure de la bande 28, leur profil extérieur concordant avec celui des extrémités extérieures des ailettes profilées courbes 24. Ces bossages comportent des évidements 42 d'une-25 forme concordant d'une façon générale avec des extrémités" des ailettes, mais de dimensions inférieures. Les extrémités des ailettes comportent des parties saillantes 44 de forme complémentaire à celle des cavités 42 pour être bloquées dans les cavités 42. Les parties saillantes 44 sont de préférence des pièces métalliques 30 rapportées convenablement fixées aux extrémités des ailettes constituées par un matériau composite. Les clavettes de blocage 27 sont engagéesentre les talons 22 et les fonds des encoches 21 pour positionner les ailettes dans la direction radiale. Un anneau 46 fixé au disque 18 par les 35 boulons fixant l'arbre 15 empêche le recul des ailettes 24. Un second anneau 48 est fixé au disque 18 pour' empêcher le déplacement des ailettes vers l'avant, cet'anneau portant aussi sur les têtes de 70 03207 7 2029651 clavettes 27 pour les maintenir. La construction décrite ci-dessus du rotor assure l'amortissement voulu des vibrations du fait de l'emboîtement des extrémités des ailettes 24 dans les cavités des bossages du bandage 26. Cette fixation assure l'amortissement des 5 vibrations des ailettes, mais aussi elle augmente substantiellement la fréquence propre des ailettes du fait qu'elles sont supportées aux deux extrémités au lieu d'être montées en porte à faux comme les ailettes habituelles de rotors. Il est ainsi possible d'utiliser des ailettes longues en matière plastique ayant des rapports 10 d'allongement relativement élevés. Une autre caractéristique de la présente invention est que le bandage décrit n'impose aucune charge au rotor. Autrement dit, les forces, centrifuges sont supportées par le bandage lui-même. La construction composite du bandage permet le fonctionnement 15 à des vitesses périphériques extrêmement élevées. Les ailettes 24 ainsi que le disque 18 et le bandage26 ont de préférence des dimensions telles que les extrémités extérieures des ailettes et les bossages 40 soient contigus dans toutes les conditions de fonctionnement sans imposer de charges appréciables au bandage 26. 20 tes dimensions sont choisies pour tenir compte de la dilatation radiale résultant des variations de la température, des charges dynamiques et d'autres facteurs connus. Le rotor décrit ci-dessus permet aussi le démontage individuel des ailettes. Ce démontage est obtenu en enlevant 1'.anneau 48 25 pour permettre l'accès aux clavettes 47 qui peuvent être alors enlevées de la façon illustrée en particulier par les figures 3 et 4. Après l'enlèvement d'une clavette,, l'ailette 24 correspondante peut être abaissée radialement vers l'intérieur pour, dégager son extrémité de la cavité du bandage. L'ailette peut ensuite être 30 tirée en avant pour être sortie de l'encoche 21. Une ailette neuve peut ensuite être introduite par les opérations inverses. Le même processus peut aussi être utilisé, pour l'assemblage initial du rotor. Bien que la description qui précède concerne particulièrement 35 les rotors de soufflante, l'invention peut être utilisée aussi pour tous les rotors de turbines et de compresseurs à écoulement axial. De même, bien que l'invention soit décrite ci-dessus en considérant les avantages particuliers des matériaux composites, l'invention n'est pas limitée à leur utilisation, et elle peut être mise 40 en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre. 70 03207 8 2029651 revendications 1 - Rotor de turbomachine comportant un disque, central, des ailettes dépassant radialement du disque, et des dispositifs pour bloquer les extrémités intérieures des ailettes dans des 5 positions fixes sur le disque, caractérisé par un bandage extérieur formant un cercle continu avec des cavités coopérant avec des parties des extrémités des ailettes pour positionner le bandage ooncentriquement au disque et le verrouiller pour qufil tourne solidairement avec le disque, les dispositifs pour la fixation des 10 extrémités intérieures des ailettes étant amovibles pour permettre le démontage des ailettes. 2 - Rotor de turbomachine selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cavités du bandage sont formées dans des bossages de la surface intérieure du bandage, ces bossages 15 ayant un profil extérieur correspondant' à celui de la partie de l'extrémité extérieure des ailettes et les cavités des bossages ayant des formes complémentaires de celles des parties des extrémités des ailettes engâgées dans les cavités. 3 - Rotor de turbomachine selon la revendication 1, 20 caractérisé en ce que les dimensions des ailettes du disque et du bandage sont choisies pour permettre une dilatation radiale sénsiblement piiforme sous les contraintes de fonctionnement afin que les extrémités extérieures des ailettes soient maintenues fermement dans les cavités pendant le fonctionnement du rotor. 25 4 - Rotor deiurbom^cMne selon l'une des revendica tions 1 à 3> caractérisé en ce que le bandage extérieur comprend une bande intérieure en métal homogène et des'cercles composites formés par des filaments de grande résistance enroulés sur le pourtour extérieur de la bande et noyés dans une matrice. 30 5 - Rotor de turbomachine selon la revendication 4, caractérisé en ce que les ailettes sont formées d'un matériau composite comportant des filaments de grande résistance disposés radialement et noyés dans une matrice. 6 - Rotor de turbomachine selon la revendication 5, 35 caractérisé en ce que les cavités pour recevoir les extrémités des ailettes sont formées dans des bossages profilés venus de matière à la surface intérieure de la bande homogène, ces bossages ayant 70 03207 9 2029651 un profil extérieur correspondant au profil extérieur de l'extrémité des ailettes et comportait des cavités pour recevoir les extrémités des ailettes. 7 - Rotor de turbomachine selon-la revendication 6, 5 caractérisé en ce que les extrémités dés ailettes engagées dans les cavités' du bandage sont des pièces métalliques rapportées fixées aux extrémités des ailettes.