Brevet FR2073239A1 — publié le 19711001

i 2073239 La présente invention concerne une structure de ..support d'aubes statoriques dans une turbomachine, telle qu'un compresseur, une turbine ou une pompe. Une telle structure est souvent conçue pour être ca-5 pable de résister aux efforts principaux, notamment de flexion, auxquels est soumise la machine et doit présenter, par conséquent, une rigidité appréciable. Les structures connues employées à cet effet comprennent généralement une structure externe composée, par exemple, 10 d'une série de viroles cylindriques ou tronconiques assemblées axialement les unes à la suite des autres, ou encore de deux demi-coquilles solidarisées entre elles suivant un plan axial de joint. Les aubes statoriques sont fixées à l'une de leurs extrémités à ladite structurée externe de façon à constituer 15 une ou plusieurs couronnes successives. Il est souvent avantageux, pour la rigidité de l'ensemble, que cette fixation soit rigide, par exemple par brasure ou soudure, et qu'elle constitue, par conséquent, un encastrement. On peut également prévoir une structure interne à laquelle les aubes sont fixées par leur 20 autre extrémité. Du fait de leur rigidité, les structures de support connues présentent, néanmoins, en particulier dans le cas où les aubes statoriques y sont fixées par encastrement, l'inconvénient de n'amortir que de façon très insuffisante les vibra-' > 25 tions auxquelles ces aubes sont soumises en fonctionnement, ce qui accroît le risque de rupture à la fatigue de ces aubes. Ces structures sont, en outre, relativement pesantes, ce qui est particulièrement désavantageux lorsque la turbomachine est destinée à faire partie d'une installation motrice à turbine à 30 gaz pour la propulsion d'engins volants. La présente invention vise à pallier simultanément les deux inconvénients dont il vient d'être fait état. Elle prévoit, en effet, pour constituer, au moins partiellement, une structure de support d'aubes statoriques, 35 d'utiliser un matériau composite de type dit "sandwich", dans lequel sont encastrées les aubes. De préférence, ce matériau comprend au moins un élément ondulé formant âme, ainsi qu'au moins deux peaux de revêtement. Un tel matériau, dans l'utilisation qui en est faite 40 dans le cadre de l'invention, possède l'avantage essentiel de 1 bad original 69 41393 2073239 'combiner deux qualités apparemment contradictoires * à savoir une grande rigidité d'ensemble permettant à la structure de support constituée de ce matériau de résister à certains au moins des efforts principaux auxquels est soumise la machine* 5 et une souplesse locale permettant d'amortir les vibrations des aubes encastrées dans ladite structure. Une telle structure est, en outre, plus légère que les structures de support classiques, tout "en présentant une rigidité égale ou même supérieure . 10 L'élément ondulé formant âme peut être monté de façon telle que la direction générale de ses plis ou ondulations soit sensiblement parallèle à l'axe de la 'turbomachine, cette disposition procurant, en particulier, une bonne rigidité transversale. Mais il peut également être monté, notamment dans le 15 cas où la structure de support n'a pas à résister à des efforts de flexion importants, de façon telle que la direction générale de. ses plis ou ondulations soit sensiblement périphérique. Suivant une disposition avantageuse, l'âme du matériau-sandwich peut comprendre au moins deux éléments ondulés 20 superposés dont les plis ou ondulations s'étendent, soit dans la même direction (avantageusement avec des pas différents ou avec un certain déphasage), soit suivant deux directions rectangulaires. On augmente ainsi à la fois la rigidité de la structure de support et sa capacité d'amortissement des vibra-25 tions des aubes. Suivant une autre disposition de l'invention applicable, en particulier, dans les cas où les considérations de poids ont relativement moins d'importance, on peut fixer la structure - * «r ' de support en matériau-sandwich à l'intérieur d'un carter exté-30 rieur rigide de type classique. La description qui va suivre en regard du dessin annexé donné à titre d'exemple non limitatif fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du.dessin que du texte faisant, bien en-35 tendu, partie de ladite invention, . La figure 1 est une vue schématique, en coupe par un plan axial, d'une portion du stator d'une turbomachine cômpre-. nant une structure de support d'aubes statoriques, conforme a l'invention ; . 40 les figures 2 à 11 sont des vues schématiques relatiBAD ORIGINAL 69 41393 2073239 ves à diverses variantes de ladite structure de support, ou à son montage; les figures la, 2a, et 5a sont des vues en coupe, suivant les lignes la-la, lia-lia et Va-Va, des structures repré-5 sentées respectivement aux figures 1, 2 et 5; les figures 12, 13 et 14 sont des schémas explicatifs, relatifs aux phénomènes vibratoires se produisant en fonctionnement dans la turbomachine. Sur les figures 1 et la, on a représenté une portion 10 du stator d'une turbomachine, telle qu'un compresseur à flux axial pour turboréacteur, et, plus précisément, une structure de support d'une couronne d'aubes statoriques 1. Cette structure comprend une virole externe 2 et une virole interne 3 constituées chacune, au moins partiellement, d'un matériau de type dit 15 "sandwich". Chacune de ces viroles comprend un élément ondulé 2a, ou 3a:, formant âme, compris entre deux "peaux" de revêtement 2b, 2c. ou 3b, 3_ç. Dans cet exemple, la direction générale des plis ou ondulations des éléments 2a, et 3a. est sensiblement périphérique . 20 Pour permettre l'assemblage d'une virole externe 2 à une virole suivante (non représentée), on fixe sur chacune des extrémités de la virole, par exemple par soudure, et après écrasement local préalable du matériau-sandwich, un anneau 4 présentant une rainure 4a. ou une languette, de manière que la jonction 25 s'effectue de façon étanche avec un anneau adjacent complémentaire appartenant à la virole suivante. Le matériau-sandwich des viroles internes 3 est également écrasé à ses bords et cintré, de manière à permettre la fixation, par exemple par soudage ou brasage, d*anneaux d'étanchéi-» 30 té 5. Ces derniers coopèrent, de façon connue, avec des cloisons labyrinthes portées par le rotor de la machine, et visibles sur la figure 11. Les viroles externes 2 et internes 3 sont poinçonnées aux places et calages prévus pour les aubes 1 et à la forme du 35 profil de ces dernières» On forme ainsi des logements dans- lesquels viennent s'encastrer les extrémités respectives des aubes, soit par simple emmanchement à force, soit par tout procédé de liaison, tel que soudure, brasure, diffusion, collage pu analogue , 40 Les figures 2 et 2a. concernent une variante suivant BAD ORIGINAL 69 41393 4 2073239 laquelle la direction générale des plis ou ondulations des éléments ondules 2a, 3_a, est sensiblement parallèle à l'axe de la turbomachine. Par' ailleurs, les anneaux 4 de la figure 1 sont remplacés par des brides 6 fixées, par exemple par soudure, aux 5 deux extrémitést préalablement écrasées, de la virole 2. Les brides adjacentes de deux viroles successives sont assemblées avantageusement par boulonnage. La figure 3 est relative à une variante suivant laquelle la structure de support externe comprend une pluralité de vi-10 rôles 2, cylindriques ou tronconiques, empilées axialement. A l'une au moins de ses extrémités, la structure se termine par une bride rapportée 7 analogue (à 1 ' épau'lement 7a, près) aux brides 6 décrites en regard de la figure 2, La fixation des viroles 2 entre elles se fait, par contre,_par des brides 8 obtenues par 15 écrasement et pliage du matériau-sandwich lui-même, lesdites brides étant boulonnées entre elles en 9. La figure 4 concerne une variante qui ne diffère de la disposition représentée à la figure 1 que par le fait que les anneaux 4 a rainures et languettes sont remplacés . par des anneaux 20 10 à crantages 11 conjugués les uns des autres, de manière a maintenir les viroles cintrées et immobilisées en rotation. Les figures 5 et 5ja sont relatives à une variante de la disposition représentée aux figures 2 et 2a, suivant laquelle les plis ou ondulations des éléments ondulés 2_a et 3.a s'étendent 25 respectivement en direction périphérique et en direction axiale, La figure 5 montre également la fixation des brides successives entre elles, au moyen de boulons 12. Les figures 6 et 7 sont relatives à des variantes de l'invention, suivant lesquelles l'âme du matériau-sandwich com-30 prend au moins deux éléments ondulés superposés 12_a, 22_a, séparés l'un de l'autre par une "peau", de revêtement intermédiaire 2d. Suivant le mode de réalisation représenté à la figure 6, les plis ou ondulations desdits éléments s'étendent suivant deux directions rectangulaires, respectivement périphérique pour l'élé-» 35 ment 12a. et axiale pour l'élément 22a. „ Suivant le mode de réalisation représenté.à la figure 7, ces plis s'étendent dans la même direction, par exemple périphérique. Dans ce cas, le pas ou la phase des ondulations 12a. peuvent avantageusement être choisis différents de ceux des ondulations 22a., ce qui augmente la 40 rigidité transversale de lvensemble de la structure de support. BAD ORIGINAL 69 41393 5 2073239 La figure 8 montre une variante de l'invention suivant laquelle l'âme du matériau-sandwich comprend trois éléments ondulés superposés 102a, H2.a, 122a, séparés les uns des autres par des "peaux" de revêtement intermédiaire 2_e, 2_f. Comme dans le 5 cas de la figure 7, le pas des ondulations 112a, est différent de celui des ondulations 102a et 122a, ces dernières pouvant elles-mêmes être disposées l'une par rapport à l'autre de façon à réaliser un certain déphasage propice à l'augmentation de la rigidité d'ensemble de la structure de support. 10 La figure 9 est relative à une variante de l'invention suivant laquelle les ondulations de l'élément 2a,f au lieu d'être simples comme dans les cas précédents, présentent un profil périodique complexe. Les figures 10 et 11 sont relatives a deux variantes 15 de l'invention, suivant lesquelles les structures porteuses 2 - en matériau sandwich - des aubes statoriques sont fixées à l'intérieur d'un carter rigide classique constitué, par exemple, par un empilement d'anneaux tels que 20. Suivant la ficure 10f les structures porteuses 2 pré-20 sentent des brides 21, 22, fixées, à l'aide de boulons 23, aux anneaux de carter 20. Suivant la figure 11, les structures porteuses 2 sont rendues solidaires du carter, d'une part en direction périphérique, par un système de cannelures 24 et, d'autre part, en direc-» 25 tion axiale, par empilement axial desdites structures et mise en place d'anneaux de calage 25. Cette figure montre, en outre, la disposition relative de deux couronnes d'aubes statoriques 1 et d'une couronne d'aubes rotoriques 26 portées par un disque 27. Sur ce dernier sont montées des cloisons-labyrinthes 28 coopé-30 rant avec les anneaux d'étanchéité 5. On se reportera maintenant aux figures 12, 13 et 14 qui illustrant de façon très schématique les phénomènes d'ordre vibratoire auxquels il a été fait allusion plus haut. Comme on le sait, les aubes statoriques 1, exposées 35 aux vibrations de nature aérodynamique de la veine de fluide traversant la turbomachine, sont elles-mêmes soumises à des vibrations mécaniques, par exemple suivant.le mode fondamental la, ou suivant un harmonique, par exemple du deuxième ordre lb. Les amplitudes de ces vibrations, représentées à la figure 12, ont 40 été exagérées pour la clarté du dessin. Comme le montrent les bad 0FUG,naL 69 41393 6 2073239 figuras 13 et 14, les élongations "e" sont dirigées suivant le « grand axe d'inertie B-B du profil de ltaube. Les aubes 1 sont encastrées a leurs extrémités respectives dans les structures de support 2, 3 de type sandwich qui 5 ont été décrites précédemment. La figure 13 correspond au cas où les ondulations du matériau sont axiales : ce matériau présente alors une for.te rigidité en direction radiale et, au contraire, une certaine souplesse en direction périphérique. La figu-re 14 correspond au cas où les ondulations du matériau sont péri-10 phériques ou circulaires ; sa rigidité et sa souplesse sont alors respectivement périphérique et axiale. Dans les deux cas, et en raison de la disposition sensiblement oblique des aubes 1 par rapport à l'axe de la turbomachine,'.il existe au moins une composante x_ ou y du mouvement vibratoire pour laquelle l'encastrement 15 de l'aube coopère avec une structure élastique constituée par l'élément ondulé 2a. Par un dimensionnement et un montage appro-* priés dudit élément, on peut.faire en sorte que sa fréquence de résonance soit toujours très inférieure à celle de l'aube, ce qui a pour effet, comme on le sait, de "casser" les vibrations de 20 cotte dernière. Dans le cas où le matériau-sandwich utilisé présente, comme le montre par exemple la figure 6, deux directions rectangulaires d'ondulations, ou encore dans le cas où les directions d'ondulations des structures de support externe 2 et interne 3 25 sont rectangulaires (comme représenté, par exemple, à la figure , 5), l'effet d'amortissement des vibrations auquel il vient d'être fait allusion est encore amplifié. Les efforts principaux auxquels est soumise la turbomachine étant généralement axiaux et radiaux, on peut avoir in-30 térêt à choisir, pour la structure externe de support, un matériau-* sandwich présentant au moins un élément à ondulations axiales, tel que représenté aux figures 2 et 6, dans le cas du moins où l'on est obligé de compter sur l'organisation interne des ondulations pour assurer la rigidité d'ensemble du stator. Dans le 35 cas, au contraire, où cette rigidité est assurée de toute façon par un carter extérieur de type classique, tel que représenté aux figures 10 et 11, le choix du type d'ondulations dépend alors essentiellement de ses propriétés antivibratoires. Il va de soi que les modes de réalisation décrits ne 40 sont que des exeaples et qu'il serait possible de les modifier,. BÀD ORIGINAL 69 41393 2073239 notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. C'est ainsi, notamment, que les structures de support d'aubes statoriques,qui ont été représentées sous la forme de viroles en matériau-sandwich destinées à être empilées axialë-ment, pourraio-nt être remplacées par des demi-coquilles ou des portions de coquilles, également en matériau-sandwich, assemblées entre elles suivant au moins un plan axial de jointj 1 8AD ORIGINAL 0 2073239 R £ V ENDI-CATIONS 1. Structure de support d'aubes statoriques dans une turbomachine, caractérisée en ce que ladite structure est composée, au moins partiellement, d'un matériau composite de type dit 5 "sandwich", dans lequel sont encastrées les aubesj 2. Structure- selon la revendication 1, caractérisée en ce -que- ledit matériau-sandwich comprend au moins un élément ondulé formant âme, ainsi qu'au moins deux peaux de revêtement» 3. Structure- selon la revendication 2, caractérisée en ce 10 que- ledit élément ondulé est monté de façon que la direction générale de ses plis du ondulations soit sensiblement parallèle à 13 axe de la turbomachine. 4. Structure selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit élément ondulé est monté de façon que la direction géné- 15 raie de ses plis ou ondulations soit sensiblement périphérique» 5» Structure selon la revendication 2, caractérisée en ce quo l'âme du matériau-sandwich comprend au moins deux éléments ondulés superposés, 6. Structure selon la revendication 5, caractérisée en ce 20 que les plis ou ondulations des deux éléments ondulés s'étendent dans la môme direc'tion. 7c Structure suivant la revendication 6, caractérisée en ce que les pas ou les phases des ondulations des deux éléments ondules sont différents 25 8» Structure' selon la revendication 5, caractérisée en ce que les plis ou ondulations des deux éléments ondulés s'étendent respectivement suivant deux directions rectangulaires. 9* Structure selon l'une quelconque des revendications I à 8, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins deux viroles 30 cylindriques ou tronconiques empilées axialement ou au moins deux portions de coquilles assemblées entre elles suivant au moins un plan axial de joint. 10» Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 9P caractérisée en ce qu'elle est fixée à l'intérieur d'un car-35 ter extérieur rigide. bad original