Brevet FR2276462A1 — publié le 19760123

La présente invention concerne un rotor à aubes pour machines à écoulement de fluide. On connait de tels rotors comprenant un disque sur lequel des aubes sont supportées par engagement de leur talon avec des éléments de support d'aubes appropriés sur le disque, les éléments de support d'aubes étant allongés transversalement à la périphérie du disque et le disque ayant directement contre lesdits éléments un bord circonférentiel continu s' étendant axialement de la même quantité,ou même d'une quantité plus grande, que s'étendent radialement lesdits éléments. On pensait dans le passé que de tels bords circonférentiels continus étaieht nécessaires pour le renfort et le support des éléments de support d'aubes et, dans les cas où les éléments étaient situés sur un diamètre qui était grand par rapport à la contrainte centrifuge admissible du matériau du disque, ladite contrainte centrifuge admissible était une condition de limitation lorsqu'il était souhaité d'augmenter ledit diamètre. Un des buts de la présente invention est de fournir un rotor dans lequel les fonctions respectives de support des aubes et de résistance centrifuge sont séparés de sorte que le disque peut être conçu pour satisfaire ces fonctions d'une façon plus proche de ltoptimale. Un rotor à aubes pour machines à écoulement de fluide selon l'invention comprend un disque unique, une rangée annulaire d'éléments support d'aubes située à l'extérieur radialement de la périphérie du disque, les éléments étant allongés dans une direction transversale à ladite périphérie, chaque élément ayant une extrémité débordant sur le côté du disque, un voile reliant cette extrémité à ladite rangée annulaire d'aubes et chaque aube ayant un talon relié à un de ces éléments qui lui est associé. L'invention sera maintenant décrite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une élévation axiale partielle d'un rotor de compresseur selon 11 invention, la figure 2 est une coupe suivant II-II de la figure 1 la figure 3 est une coupe suivant III-III de la figure 1 la figure 4 est une vue similaire à la figure 1 mais montrant une variante la figure 5 est une vue de côté d'une turbo-maine, comprenant un rotor de turbine selon l'invention, la figure 6 est une vue agrandie et partielle en perspective du rotor montré à la figure 5. Comme montré aux figures I à 3, le rotor comprend un disque unique 120 supportant une rangée annulaire d'éléments de support d'aubes 125 située à ltextérieur radialement et espacée de la périphérie du disque 123. Les éléments sont allongés dans une direction transversale de la périphérie 123. Cette direction est donnée par l'angle de calages (figure 3). Par rapport à l'axe 128 du disque, les éléments 125 s'étendent axialement d'une quantité plus grande que le bord 129 du disque, de sorte que chaque élément 125 a des extrémités 125A s'étendant axialement au delà des bords 130 du rebord. Chaque élément 125 est relié au disque 120 par un voile radial 124 ayant des parties 121 et 122 qui s'étendent radialement vers l'intérieur de la périphérie 123 et sont d'une seule pièce avec les côtés respectifs 130 du bord 129. Les voiles 124 ont de plus une partie unique 124t s'étendant entre la périphérie 123 et l'élément 125. La raison pour laquelle le voile 124 se divise en deux parties 121 et 122, est que la dimension axiale du voile 124 déterminée par celle des éléments 125 et par des considérations de contraintes centrifuges et de flexion, est nécessairement plus grande que la dimension axiale, c'est-à-dire l'épaisseur , du bord 129, qui est déterminée essentiellement par les contraintes centrifuges agissant sur ce bord. La longueur radiale des parties 121 et 122 dépend bien entendu de la résistance au cisaillement nécessaire à leur jonction avec le bord pour résister aux forces centrifuges agissant sur les voiles 124. Le rotor comprendde plus, une rangée annulaire d'aubes de compresseur 127 ayant chacune un talon 126 relié à un des éléments de support d'aubes 125 qui lui est associé. Le talon 126 comprend deux parties parallèles 131 disposées de part et d'autre de l'élément 125, chacune de ces orties ayant un évidement 132 coopérant avec un bourrelet 133 du côté adjacent de l'élément. La largeur totale du talon 126 est égale ou légèrement inférieure aux pas des éléments 125 de sorte que les parties adjacentes 126 se touchent et se supportent mutuellement circonférentiellement en fonotiomnement. La section transversale de la partie 124t du voile est bien entendu et allongée en raison de la forme allongée des éléments 1252 à la jonction avec l'élément 125, l'angle de calage de la section transversale voile est le même que celui de l'élément. Cependant, le voile peut être lzillé , l'angle de calage de sa section transversale augmentant progressivement de sorte qu'à la jonction du voile et de la périphérie 123, l'angle de calage soit égal à 900 comme indiqué aux figures 1 et 3. La présence des voiles permet au disque d'avoir un diamètre aussi faible qu'on le souhaite en fonction du diamètre auquel les aubes doivent être disposées. Plus particulièrement, l'invention permet à la périphérie du disque d'être située à l'intérieur du diamètre de contrainte centrifuge admissible pour le matériau particulier dans lequel le disque est fabriqué et la vitesse et la température à laquelle il doit fonctionner, tandis que les aubes peuvent être disposées à l'extérieur dudit diamètre de contrainte admissible, à la position nécessaire pour de hautes vitesses pémphériques, L'alésage habituel du centre du disque peut etre de diamètre minimum, éventuellement nul afin de minimiser la périphérie du disque. De plus, le diamètre relativement faible du disque isole dans une certaine mesure le disque des hautes températures existant en fonctionnement dans la zone des aubes, de sorte que les gradients de température durant 1 'échauffement et le refroidissement sont réduits, et que les conditions de contraintes dans le disque sont modérées. In particulier, les espaces entre les parties 124 & des voiles permettent la circulation d'air de refroidisseme3t. La figura 5 montre une spplication de la présente invention à la turbine d'une turbo-machine. La machine comprend un compresseur 10 une zone de combustion 11, une turbine 12 pour entraîner le compresseur, et une tuyère d'éjection 13, l'ensemble étant compris dans une enveloppe qui a été enlevée dans la région de la turbine pour montrer un rotor de turbine comprenant les aubes 15 supportées par un disque 14. Corme montré à la figure 6, le disque 16 a un bord 16t formé d'une seule pièce avec des éléments de support d'aubes allongés 17 qui s'étendent transversalement par rapport à l'extremité libre 16B du bord et qui ont des extrémités 17C, débordant chacune d'un côté 16C du disque, et reliées à ce côté par un voile formant contrefort 19.Chaque élément 17 a une partie intérieure radialement 17Â, directement adjacente au bord 16 et au voile 19, et une partie extérieure radialement 173 sensiblement plus large que la partie intérieure de sorte que les flancs 17 et des éléments sont inclinés par rapport à un rayon, et que les flancs se faisant face d'éléments 17 adjacents forment entre eux une encoche 24 en queue d'aronde. Le bord 16A, les éléments 17 et les voiles 19 forment le système de support des aubes du disque. Chaque aube 15 comprend un talon 20 ayant une forme en queue d'aronde complémentaire à celle de l'encoche 24 et disposé à l'intérieur de cette encoche pour maintenir l'aube contre la force centrifuge. Chaque aube comprend un prolongement de talon 21, une plate-forme 22 et un profil aérodynamique 23. Des moyens non représentés sont prévus pour empêcher le glissement longitudinal des talons d'aubes hors des éléments de support. De tels moyens peuvent comprendre des plaques de verrouillage ou d'autres dispositifs connus de 1'Homme de l'Art. On constate que la force centrifuge sur les aubes est transmise aux voiles 19 par l'intermédiaire des éléments 17 et de leurs parties intérieures 17A, et au disque par l'ihtermédiaire de la jonction de ces voiles et des côtés 16C du disque. Ainsi, il n'y a pratiquement pas de matériau parasite dans le système de support d'aubes du disque. La présence de matériau dans les espaces 25 situés circonférentiellement entre les voiles 19 est évitée et la masse du système est par conséquent réduite, ce qui entraîne une réduction des contraintes centrifuges produites dans l'ensemble du disque, et une réduction du poids de ce disque. La différence entre les dimensions axiales des éléments 17 et du bord 165 provient essentiellement de leurs contraintes respectives. Dans le but de satisfaire aux contraintes centrifuges à la périphérie du disque, l'épaisseur du bord n'a pas besoin d'être aussi importante que la longueur que les éléments doivent avoir pour satisfaire aux contraintes de surface imposées au flanc 17D par la force centrifuge agissant sur les aubes 15 et, tandis que le bord doit être continu circonférentiellement en raison des nécessités dûes aux contraintes centrifuges, une telle continuité n'est pas essentielle en ce qui concerne les éléments 17, étant donné qu'aux vitesses de fonctionnement ces éléments ne seront en aucun cas indépendants. il ntest par conséquent pas nécessaire que les éléments soient complètement reliés radialement à l'intérieur des encoches 24 et ceci donne naissance aux espaces 25. Les espaces 25 ainsi formés sont d'un avantage considérable pour le système de refroidissement des aubes étant donné qu'ils permettent à l'air de refroidissement d'avoir un accès direct aux surfaces radialement intérieures 26 dey talons d'aubes 20. Une plaque annulaire peut être fixée au disque afin de guider l'air de refrcidissement dans les espaces 25, la plaque étant fixée aux faces d'extrémités axiale des éléments 17 et s'étendant radialement vers l'intérieur par rapport à ces éléments pour fermer axialement ces espaces 25. Le bord 16A est agencé en position médiane entre les extrémités axiales des éléments 17, mais si ceci est désiré, par exemple dans le but de contrôler l'écoulement de l'air de refroidissement, le bord peut être disposé plus près ou à l'une des extrémités des éléments 17, de sorte que cet élément a une seule partie débordante et un seul voile. Les encoches 24 ne sont pas nécessairement en forme de queue d'aronde, mais peuvent être en sapin, auquel cas les flancs sont généralement convergents èn direction radiale vers l'intérieur, mais comprennent au moins deux rainures le long de l'élément, aptes à coopérer avec des voiles complémentaires prévues dans le talon de l'aube. Aucun procédé spécifique n'a été décrit pour la fabrication du système de support d'aube du disque, mais il va de soi que deux possibilités de base sont disponibles, tout d'abord, le disque entier peut être usiné dans la masse, ou bien les éléments de support et les voiles peuvent être formés séparément puis soudés, brasés ou fixés d'une autre manière en position sur le bord. REVENDI CBTI ONS 1.- Rotor à aubes pour machines à écoulement de fluide comprenant un disque unique, caractérisé en ce qu'il comprend une rangée annulaire d'éléments support d'aubes situés radialement à l'extérieur par rapport à la périphérie du disque, ces éléments étant allongés dans une direction transversale par rapport à ladite périphérie et ayant chaque extrémité débordant par rapport à un côté du disque, un voile reliant cette extrémité audit côt du disque, une rangée annulaire d'aubes, chaque aube ayant un talon relié à un élément qui lui est associé. 2.- Rotor selon la Revendication 1 caractérisé en ce que les éléments support d'aubes sont espacés radialement de la périphérie du disque, les voiles ayant chacune une partie unique s'étendant entre l'élément de support d'aubes et ladite périphérie et des parties séparées s'étendant de chaque côté du disque. 3.- Rotor selon la Revendication 22 caractérisé en ce que la section transversale de la portion unique de voiles est allongée dans la même direction que l'élément de support d'aubes au moins à la jonction entre lJélément et la partie unique du voile. 4.- Rotor selon la Revendication 2, caractérisé en ce que la section transversale de la partie unique du voile qui est adjacente à la périphérie du disque est allongée dans une direction ayant un angle de calage plus grand que la section transversale de la partie du voile qui est adjacente à l'élément de support d'aubes. 5.- Rotor selon la Revendication 1, caractérisé en ce que chaque aube a un talon comprenant deux parties parallèles disposées de part et d'autre de l'élément de support d'aubes qui lui est associé, les surfaces en regard des parties parallèles ayant chacune un évidement, et l'élément de support d'aube ayant des bourrelets latéraux coopérant avec les évidements pour supporter l'aube contre un mouvement radial vers l'extérieur. 6.- Rotor selon la Revendication 5, caractérisé en ce que la largeur totale de chaque talon est approximativement égale auxpas des éléments de support d'aubes, de sorte que les talons adjacents peuvent se toucher en fonctionnement. 7.- Rotor selon la Revendication 1 caractérisé en ce que chaque élément de support d'aubes a de chacun de ses côtés un prolongement latéral, chaque talon d'aubes comprenant une partie située radialement vers l'intérieur par rapport au prolongement de deux éléments de support d'aubes adjacents et étant plus large que leur espacement pour supporter l'aube contre un mouvement radial vers l'extérieur. 8.- Rotor selon la Revendication 1, caractérisé en ce que chaque élément de support d'aubes a une partie intérieure radialement, située directement adjacente à la périphérie du disque et une partie extérieure radialement, ayant de chacun de ses côtés un prolongement latéral, chaque talon d'aubes étant situé entre les parties intérieures de deux éléments adjacents et étant plus large que l'espacement entre les prolongements se faisant face , afin de supporter l'aube contre un mouvement radial vers l'extérieur. 9.- Rotor selon la Revendication 8, caractérisé en ce que chaque talon d'aubes a une surface dirigée vers l'intérieur, radialement ouverte sur un espace limité par le bord et deux voiles adjacents.