Brevet FR2324873A1 — publié le 19770415

La présente invention concerne un rotor de turbomachine et, plus particulièrement, de turbine à flux axial faisant partie d'une installation motrice à turbine à gaz, telle qu'un turboreacteur. Le rotor visé par l'invention est du type comprenant un disque présentant une jante à la périphérie de laquelle sont ménagées une pluralité de rainures profilées s'étendant d'une face frontale à l'autre de cette jante, une couronne d'aubes dont chacune est équipée d'un pied comprenant une racine profilée engagée dans une rainure correspondante de ladite jante de disque, deux flasques annulaires coaxiaux audit disque, disposés de part et d'autre de celui-ci dans la zone de ladite jante et dont l'un au moins comprend un voile en forme d'anneau axialement espacé dudit disque, et des moyens de fixation et de blocage pour, d'une part, maintenir chacun desdits flasques en position par rapport audit disque et, d'autre part, empêcher par I'intermédialre de ces flasques un déplacement axial desdites aubes dans leurs rainures. L'invention vise, d'une manière générale, à améliorer la fixation du flasque, le blocage axial des aubes, l'amortissement des vibrations de ces dernières, ltétanchéité dans la zone des pieds d'aubes, et le refroidissement de ltensemble du rotor. En ce qui concerne plus particulièrement la fixation du flasque au disque, le mode de fixation conforme à l'invention répond aux conditions particulières valables pour les turbines à hautes performances, suivant lesquelles il est préférable de renoncer à l'utilisation de boulons et d'écrous. On rappellera à ce propos que, dans les turbines à hautes performances soumises à des vitesses périphériques et des températures considérables, par exemple de l'ordre de 500 m/s et 13000, les boulons et écrous constituent, à la surface du disque en rotation, des reliefs ayant pour effet, par frottement sur l'air ambiant, de freiner le rotor (donc de diminuer le rende- ment de la turbine) et de provoquer une élévation supplémentaire de la température du disque.En outre, l'utilisation de boulons implique le perçage, à travers le disque, de trous ayant pour effet de créer des zones d'accumulation de contraintes risquant de diminuer considérablement la durée de vie du disque. Suivant l'invention, les moyens de fixation et de blocage associés audit flasque comprennent, - un plateau, solidaire dudit voile, et faisant aialement saillie à partir dudit voile en direction du disque, leoLt plateau présentant une portion tournée radialement vers l'exteroeur et qu constitue une portée venant radialement en appui contre une portée correspondante, tournée radialement vers l'intérieur, de la jante de disque, ledit plateau étant percé, de place en place, d'encoches radiales en nombre égal à celui des aubes et dans chacune desquelles est ménagée une portée tournée vers ledit voile, - une bride, solidaire dudit voile et située à un rayon supérieur à celui dudit plateau, ladite bride présentant une face frontale venant axialement en appui contre l'une des faces frontales des pieds des aubes, dans une zone située radialement à l'extérieur de la jante de disque, et - une pluralité de becs d'aubes respectivement solidaires de chaque aube et dont chacun fait saillie, à partir de la racine de l'aube considérée, à la fois axialement vers ledit voile et radialement vers l'axe du rotor et pénètre dans une encocre corre- pondante dudit plateau, ledit bec présentant une portée tournée vers le disque et venant axialement en appui contre ladite portée ménagée dans cette encoche. Ainsi qu'on le verra plus loin, les dispositions conformes à l'invention ont pour avantage essentiel de créer un système dyne- miquement équilibré dans lequel la force centrifuge exerce un rôle déterminant pour assurer, simultanément, le maintien du f'asriue sur le disque, le blocage axial des aubes, l'amortissement des wiorat-rns de ces dernières, et l'étanchéité du rotor au niveau des pieds d'a~e--. Pour la commodité du montage, l'un au moins des deux flô- ques peut être composé de plusieurs segments de flasques circonférentiellement adjacents mais indépendants les uns des autres et dont chacun intéresse un groupe d'aubes réparties dans l'étendue angulaire du segment considéré, chaque segment de flasque comprenant un voile en forme de secteur d'anneau axialement espacé dudit disque. Dans ce cas, les moyens de fixation associés audit flasque composé de plusieurs segments (de préférence le flasque avant du rotor) comprennent, pour chacun des segments dudit flasque et le groupe d'aubes intéressé par ledit segment - un plateau de même étendue angulaire que le voile du segment de flasque considéré, solidaire de ce voile, et faisant axialement saillie à partir dudit voile en direction du disque, ledit plateau présentant une portion tournée radialement vers ltextérieur et qui constitue une portée venant radialement en appui contre une portée correspondante, tournée radialement vers l'intérieur, de la jante de disque, ledit plateau étant percé, de place en place, d'encoches radiales en nombre égal à celui des aubes dudit groupe et dans chacune desquelles est ménagée une portée tournée vers ledit voile, - une bride de même étendue angulaire que ledit voile, solidaire de ce voile et située à un rayon supérieur à celui dudit plateau, ladite bride présentant une face frontale venant axialement en appui contre l'une des faces frontales des pieds des aubes dudit groupe d'aubes, dans une zone située radialement à llexté- rieur de la jante de disque, et - une pluralité de becs d'aubes respectivement solidaires des aubes dudit groupe et dont chacun fait saillie, à partir de la racine de l'aube considérée, à la fois axialement vers ledit voile et radialement vers l'axe du rotor et pénètre dans une encoche correspondante dudit plateau, ledit bec présentant une portée tournée vers le disque et venant axialement en appui contre ladite portée ménagée dans cette encoche. La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut etre réalisée, les particularités qui ressortent tant du dessin que du texte faisant, bien entendu, partie de ladite invention. La figure 1 est une vue schématique, en coupe axiale, d'une portion de turbomachine comportant un rotor auquel s'applique l'invention, ledit rotor comprenant un disque, une couronne d'au- bes, un flasque avant segmenté et un flasque arrière; Les figures 2 et 3 sont des vues en coupe axiale à plus grande échelle du rotor représenté à la figure 1, prises respectivement entre deux aubes et à travers une aube; La figure 4 est une vue en perspective du flasque avant; La figure 5 est une vue en perspective d'une aube; La figure 5a est une vue de profil d'une coupe suivant V-V de la figure 5 de la partie arrière de l'aube; Les figures 6 et 7 sont des vues en perspective, respec tivement du disque et du flasque arrière;; La figure 8 est une vue schématique d'un système d'étanchéité entre deux segments du flasque avant; La figure 9 est un schéma explicatif illustrant 1 'équi- libre dynamique d'un segment du flasque avant, en fonctionnement. Sur la figure 1, on a représenté un rotor 1 de turbomachine, en I'occurence le rotor d'une turbine de détente à flux axial, faisant partie d'une installation motrice à turbine à gaz. Ce rotor coopère avec un stator 2, par l'intermédiaire de joints d'étanchéité à labyrinthe, pour délimiter une chambre étanche 3 pouvant etre alimentée en air de refroidissement (symbolisé par la flèche A) en provenance directe ou indirecte d'une source telle qu'un compresseur (non représenté) de l'installation. Le rotor 1 comprend essentiellement un disque 4 portent à sa périphérie une couronne d'aubes 5, et deux flasques annulaires coaxiaux au disque 4 et disposés de part et d'autre de celui-ci, à savoir un flasque avant 6 et un flasque arrière 7. Des moyens, qui seront décrits plus loin, permettent, sans visserie, de maintenir chacun desdits flasques en position par rapport au disque 4 et de bloquer axialement les aubes 5. Le disque 4 comprend (voir figures 2 et 6) une jante 8 à la périphérie de laquelle sont ménagées des rainures profilées 9, par exemple des brochages en sapin, s'étendant d'une façe frontale à l'autre de cette jante et qui définissent, entre elles, des dents de disque. A l'avant, la jante 8 présente une portée usinée 8e tournée radialement vers llinCérieur (c'est-à-dire vers l'axe du disque). A l'arrière, la jante présente une gorge 10, ainsi qu'un ou plusieurs fraisages 11 (voir figure 6) répartis circonférentiellement. Cette figure montre également, en section par un plan médian, une dent du disque ; on voit que le fraisage 11 détermine dans la jante, à l'arrière, un logement dont la moitié apparat en perspective sur la partie droite de la figure, et destiné à recevoir un pion 74 dont il sera question plus loin. Chaque aube 5 présente (voir figures 3, 5 et 5a) une partie active 12 faisant saillie dans un canal d'écoulement de gaz chauds de la turbine, et un pied 13 séparé de la partie active par une plateforme 14. Ce pied comprend lui-même une partie interne ou racine 15 dont le profil (par exemple en sapin) est complémentaire de celui des rainures 9 de la jante du disque, et une partie intermédiaire faisant saillie radialement au-delà de la jante 8 et présentant deux faces frontales (t3a, 13b) tournées respectivement vers le flasque avant 6 et vers le flasque arrière 7. A la base de la racine 15 de l'aube prennent naissance (voir figure 3) des canaux de refroidissement 1 6 destinés à être alimentés en air en provenance de la chambre 3.On remarquera, à cet égard, qu'il existe un espace libre entre la base de la racine 15 et le fond de la rainure correspondante 9 de la jante. Chaque aube comporte, sur sa racine 15, un bec avant 17 et une face arrière 18. Le bec avant 17 fait saillie, à partir de la racine 15, à la fois axialement et radialement vers l'axe du rotor, et il présente une portée axiale 17a tournée vers le disque Le flasque avant 6 est un flasque segmenté composé de plusieurs segments 60 circonférentiellement adjacents, mais indépendants les uns des autres, et dont chacun intéresse un groupe d'aubes réparties dans l'étendue angulaire du segment considéré. Chaque segment de flasque 60 comprend (voir figures 2, 3 et 4) un voile 61 en forme de secteur d'anneau axialement espacé du disque 4, et muni extérieurement de garnitures d'étanchéité 61a coopérant avec des garnitures complémentaires portées par le sta- tor 2 (voir figure 1). Le voile 61 est raidi par des nervures axiales 62 dont certaines peuvent éventuellement présenter une portée 62a venant axialement en contact avec la face frontale avant de la jante 8 du disque. Chaque segment de flasque 60 comprend aussi un plateau 63 (voir figures 2 et 4) de même étendue angulaire que le voile 61, solidaire de ce voile, et faisant axialement saillie à partir de ce dernier en direction du disque 4. Ce plateau présente une portée usinée 63a tournée radialement vers l'extérieur, et il est percé, de place en place, d'encoches radiales 64, en-nombre égal à celui des aubes du groupe d'aubes intéressé par ledit segment. Chaque encoche 64 s'étend, de préférence, suivant toute l'épaisseur du plateau 63, et présente une portée 64a tournée vers le voile 61. Des orifices radiaux supplémentaires 65 (voir figure 4) peuvent être percés à travers le plateau 63, entre les encoches 64. Chaque segment 60 comprend enfin une bride 66 de même étendue angulaire que le voile 51, solidaire de ce voile, et situe à un rayon supérieur à celui du plateau 63. Cette bride présente une face frontale creusée d'une gorge 66a tournée vers la face frontale avant 13des pieds d'aubes, et dans quelle est logé un jonc d'étanchéité 67. Le flasque arrière est de forme annulaire, segmentée ou non. Ce flasque présente, à sa partie de plus grand rayon, une bride 71 disposée à la fois en regard de la face frontale arrière 13b des pieds d'aubes et de la face frontale arrière de la jante de disque 8. En regard des pieds d'aubes, cette face frontale présente une gorge 71a dans laquelle est logé un jonc d'étanchéité 72. A sa partie de plus petit rayon, le flasque 7 est équipé d'une pluralité de bossages 73, en nombre égal à celui des aubes 5, et circonférentiellement espacés les uns des autres. Le montage du rotor s'effectue de la façon suivante : commence par présenter le flasque arrière 7. Pour cela on le dIspose Far rapport au disque 4 de façon telle que chaque bossage 73 soit situé entre deux dents du disque. On fait ensuite tourner ce flas- que de façon à engager ces bossages dans la gorge 10 ménagée à l'arrière de la jante. On procède alors au montage de l'ensemble flasque avant 6 et aubes 5 ; les dents des aubes ont été engagées préalablement dans les encoches du flasque avant ; on introduit alors les azotes 5 dans les rainures correspondantes 9 de la jante. Ensuite par une nouvelle rotation du flasque 7 on amène les bossages 73 de ce flasque devant les faces arrières 18 des racines des aubes. Les aubes sont ainsi verrouillées d'une première façon, c-est-à-dire quel elles ne peuvent plus, sortir oxialement des rainures 9. Pour éviter toute rotation accidentelle du flasque arrière 7, ce dernier est lui-méme verrouil- lé en rotation par des pions 74 introduits à la fois (voir figures 6 et 7) dans des découpes 75 du flasque 7 et dans les logements Il du disque. Des clavettes en tôle 76 ferment les découpes 75 du flasque et maintiennent chaque pion 74 en position. Un clinquant d'étanchéité 77 (voir figure 3) est fixé par soudure au flasque 7, sa partie inférieure vient prendre appui sur le disque 4. Pour bien localiser radialement chaque segment de flasque 60 par rapport au disque, ce segment peut présenter, de place en place, une nervure auxiliaire 69 reposant contre la périphérie extérieure de la jante. Comme le montre la figure 4, chaque segment 60 du flasque 6 est en contact par une nervure terminale 62 avec une nervure terminale correspondante du segment suivant. Chacune des deux nervures terminales en contact mutuel peut comprendre (voir figure 8) une rainure 62b dans laquelle peut être insérée une gàrnitufe dié- tanchéité. Au repos, les segments de flasque 60 sont maintenus en position grâce à leur appui circonférentiel mutuel,et grâce également à la présence des nervures auxiliaires 69 reposant à la périphérie extérieure de la jante 8. En fonctionnement, chaque segment 60 du flasque avant est soumis à l'action de la force centrifuge. Sur la figure 9, on a représenté cette force centrifuge Fc appliquée au centre de gravité G du flasque et lton remarquera que ce centre de gravité est fortement décalé, dans le sens axial, par rapport au disque. Cette figure montre également la répartition des forces qui prennent alors naissance entre ce segment de flasque, d'une part, le disque 4 et les aubes 5, d'autre part. Pour ce qui est du disque 4, on a reproduit simplement, sur cette figure, sa surface de butée radiale 8a.De même, pour ce qui est des aubes 5, on Q simplement reproduit la surface frontale avant 13a des pieds d'aubes et la portée axiale 17a des becs 17. On reconnaît, par ailleurs, sur cette figure les surfaces de butée 63a, 64a et 66, qui font partie du segment de flasque. La force centrifuge F est reprise par une réaction radiale Rc, égale et de sens contraire, qui s' exerce entre les portées 63a et 8a, en butée radiale mutuelle. La portée 8a pouvant être considérée comme fixe par rapport au segment 60, il en résulte, du fait du décalage du centre de gravité G, un moment étal au produit de cette force par la distance d entre l'axe de la force Fa et l'axe de la réaction Rc. Ce moment tend donc à faire tourner la segment de flasque 60 dans le sens indiqué par la flèche M. Sous l'effet de ce moment, d'autres forces prennent naissance dans le système. Une première de ces forces est une force de réaction axiale R1 qui s'exerce entre les portées 64a du segment de flasque et 17a du bec avant 17 des racines d'aubes. Une seconde de ces forces est la réaction axiale R2, égale et orientée en sens opposé, qui s'exerce entre la bride 66 du segment de flasque et la face frontale 13a des pieds d'aubes. Si l'on désigne par t la dis- tance entre les axes des forces R1 et R2, on voit donc que l'équi libre des moments s'exprime par la relation F x d c = R1 x En d'autres termes, chaque aube 5, soumise à la fois à ces deux forces, reste parfaitement en équilibre. Mais, et cette remarque est essentielle, cet équilibre résulte de l'action de forces d'appui très importantes sur les aubes, en particulier dans la zone 13a située au voisinage de la partie active des aubes sur laquelle la bride 66 exerce une force de l'ordre de 700 à 1000 daN par aube. Cette force axialé induit, en direction circonférentielle, des forces de frottement très importantes qui ont pour effet d'atténuer considérablement l'amplitude des vibrations auxquelles sont soumises les aubes. A cet égard, la force éventuellement exercée par les portées 62a des nervures 62, sur les "dents" du disque, est beaucoup plus faible et peut etre négligée par rapport à la force précitée exercée sur les pieds d'aubes. L'avantage fondamental de la présente invention est donc l'obtention d'un amortissement puissant des vibrations d'aubes sans utilisation des pièces supplémentaires classiques, relativement inefficaces, placées habituellement entre les aubes, à cheval sous deux plateformes adjacentes. On notera également que l'ensemble des moyens de fixation décrits, tant pour le flasque arrière 7 que pour le flasque avant 6 est dépourvu de vis, boulons ou écrous, dont les inconvénients ont été déjà exposés précédemment. On notera aussi que les deux flasques permettent d'obtenir une protection efficace de la jante du disque, vis à vis du rayonnement des gaz chauds qui traversent la turbine. A cet égard, outre son rôle d'écran, le flasque avant 6 a également pour fonction de délimiter, de façon étanche, un espace de refroidissement communiquant avec la chambre 3 (voir figure 1). L'air de refroidissement en provenance de cette chambre pénètre dans l'espace compris entre le voile 61 et le face frontale avant de la jante 8, à travers les encoches 64 et les orifices radiaux supplémentaires 65. Une autre partie de l'air de refroidissement pénètre, à travers le fond des rainures 9 de la jante, dans les canaux 16 ménagés dans les aubes 5. On notera également que l'appui axial de la bride 66 sur la face frontale avant 13a des pieds d'aubes permet de réaliser à ce niveau une étanchéité efficace, assurant une excellente séparation entre le canal d'écoulement de gaz chauds et la partie de la turbine baignant dans l'air de refroidissement. On remarquera, à ce sujet, que la souplesse, dans le sens périphérique, des segments de flasque permet d'obtenir un effet d'étanchéité uniforme sur tous les pieds d'aubes, meme si les longueurs axiales de ces pieds ne sont pas parfaitement égales entre elles, ce qui est souvent le cas du fait des imperfections d'usinage des aubes. La même remarque peut, d'ailleurs, être faite en ce qui concerne la longueur axiale des dents du disque. il va de soi que les modes de réalisation décrits ne sont que des exemples et l'on pourrait les modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. C'est ainsi, par exemple, qu'au lieu de s'appliquer au flasque avant, l'invention pourrait également s'appliquer au flasque arrière. REVENDICATIONS 1. Rotor de turbomachine, du type comprenant - un disque présentant une ante à la périphérie de laquelle sont ménagées une pluralité de rainures profilées s'étendant d'une face frontale à l'autre de cette jante, - une couronne d'aubes dont chacune est équipée d'un-pied comprenant une racine profilée engagée dans une rainure correspondante de ladite jante de disque, - deux flasques annulaires coaxiaux audit disque, disposés de part et d'autre de celui-ci dans la zone de ladite jante et dont l'un au moins comprend un voile en forme d'anneau axialement espacé dudit disque, et - des moyens de fixation et de blocage pour, d'une part, maintenir chacun desdits flasques en position par rapport audit disque et, d'autre part, empecher, par l'intermédiaire de ces flasques, un déplacement axial desdites aubes dans leurs rainures, caractérisé en ce que lesdits moyens de fixation et de blocage associés audit flasque comprennent : - un plateau solidaire dudit voile, et faisant axialement saillie à partir dudit voile en direction du disque, ledit plateau présentant une portion tournée radialement vers l'extérieur et qui constitue une portée venant radialement en appui contre une portée correspondante, tournée radialement vers l'intérieur, de la jante de disque, ledit plateau étant percé, de place en place, d'encoches radiales en nombre égal à celui des aubes et dans chacune desquelles est ménagée une portée tournée vers ledit voile, - une bride solidaire dudit voile, et située à un rayon supérieur à celui dudit plateau, ladite bride présentant une face frontale venant axialement en appui contre ltune des faces frontales des pieds des aubes, dans une zone située radialement à l'extérieur de la jante de disque, et - une pluralité de becs aubes respectivement solidaires de chaque aube et dont chacun fait saillie, à partir de la racine de l'aube considérée, à la fois axialement vers ledit voile et ra- dialement vers l'axe du rotor et pénètre dans une encoche correspondante dudit plateau, ledit bec présentant une portée tournée vers le disque et venant axialement en appui contre ladite portée ménagée dans cette encoche. 2. Rotor de turbomachine, du type comprenant : - un disque présentant une jante à la périphérie de laquelle sont ménagées une pluralité de rainures profilées s'étendant dtune face frontale à l'autre de cette jante, - une couronne d'aubes dont chacune est équipée d'un pied comprenant une racine profilée engagée dans une rainure correspondante de ladite jante de disque, - deux flasques annulaires coaxiaux audit disque, disposés de part et d'autre de celui-ci dans la zone de ladite jante et dont l'un au moins est un flasque segmenté composé de plusieurs segments de flasque circonférentiellement adjacents mais indépendants les uns des autres et dont chacun intéresse un groupe d'aubes réparties dans l'étendue angulaire du segment considéré, chaque segment de flasque comprenant un voile en forme de secteur d'anneau axialement espacé dudit disque, et - des moyens de fixation et de blocage pour, d'une part, maintenir chacun desdits flasques en position par rapport audit disque et, d'autre part, empêcher, par l'intermédiaire de ces flasques, un déplacement axial desdites aubes dans leurs rainures, caractérisé en ce que lesdits moyens de fixation et de blocage associés audit flasque segmenté comprennent, pour chacun, des segments dudit flasque et le groupe d'aubes intéressé par ledit segment - un plateau de même étendue angulaire que le voile du segment de flasque considéré, solidaire de ce voile, et faisant axialement saillie à partir dudit voile en direction du disque, ledit plateau présentant une portion tournée radialement vers l'extérieur et qui constitue une portée venant radialement en appui contre-une portée correspondante, tournée radialement vers l'intérieur, de la jante de disque, ledit plateau étant percé, de place en place, d'encoches radiales en nombre égal à celui des aubes dudit groupe et dans chacune desquelles est ménagée une portée tournée vers ledit voile, - une bride de même étendue angulaire que ledit voile, solidaire de ce voile et située à un rayon supérieur à celui dudit plateau, ladite bride présentant une face frontale venant axiale ment en appui contre zone t uns des faces frontales des pieds des aubes dudit groupe d'aubes, dans une zone située radialement à l'extérieur de la jante de disque, et - une pluralité de becs d'aubes respectivement solidaires des aubes dudit groupe et dont chacun fait saillie, à partir de la racine de l'aube considérée, à la fois axialement vers ledit voile et radialement vers l'axe du rotor et pénètre dans une encoche cor respondante dudit plateau, ledit bec présentant une portée tournée vers le disque et venant axialement en appui contre ladite portée ménagée dans cette encoche. 3. Rotor suivant la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que chacune des encoches percées dans ledit plateau s'étend radialement suivant toute l'épaisseur du plateau. 4. Rotor suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la portée ménagée dans chacune desdites enco ches fait partie d'une pièce rapportée insérée dans chaque encoche. 5. Rotor suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite bride présente, sur sa face frontale, une gorge dans laquelle est logé un jonc d'étanchéité. 6. Rotor suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'espace ccmpris entre ledit voile et le disque communique avec une source de fluide de refroidissement. 7. Rotor suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit plateau est percé d'orifices radiaux supplémentaires situés, chacun, entre deux encoches. 8. Rotor suivant l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que ledit flasque segmenté est le flasque avant du rotor.