Brevet FR2471474A1 — publié le 19810619

- 1 - La présente invention concerne des disques de rotor et plus précisément des machines rotatives o on cherche à réduire les concentrations d'efforts maximum dans un disque de rotor de telles machines. Un moteur à turbine à gaz comprend une section de compression, une section de combustion et une section de turbine. Un passage annulaire pour les gaz de travail passe axialement au travers du moteur. La section de turbi- ne du moteur comprend un assemblage de rotor. Le passage annulaire passe successivement entre les éléments de l'as- semblage de stator et les éléments de l'assemblage de rotor. L'assemblage de rotor comprend un disque ayant un axe de symétrie et une pluralité d'aubes de rotor se pro- jetant vers l'extérieur dans les gaz de travail chauds. Les aubes de rotor sont en contact intime avec les gaz de travail chauds et sont chauffés par ces gaz chauds. Dans les moteurs modernes, de l'air de refroi- dissement passe au travers de passages à l'intérieur de l'aube d'une turbine pouréliminer la chaleur des aubes de rotor. Typiquement, l'air de refroidissement est amené au travers du disque par les passages pour l'air de refroidissement. Une construction de passage pour l'air de refroidissement est, par exemple, décrite dans le bre- vet US numéro 3 836 279. Le disque comprend une fente de fixation de l'aube pour recevoir les aubes du rotor. Chaque passage pour l'air de refrddissement comprend une sortie à la base de la fente correspondante. La section transversale du disque change brutalement à l'endroit de la fente. Lorsque le disque tourne dans un plan perpendi- culaire à l'axe de symétrie, les forces de rotation indui- sent une tension tangentielle dans la matière du disque. L'interruption de l'uniformité de l'aire de la section transversale résulte en une concentration d'efforts élevée au passage pour l'air de refrodissement. Cette situation est particulièrement sérieuse dans les aires de contraintes répétées parce que la matière subira des ruptures par fatigue si la tension maximum est supérieure à la limite d'endurance associée à une limite de fatigue acceptable Actuellement les concentrations d'efforts -2- tangentiels au passage-de l'air de refroidissement au bord du disque ont pour effet que cette position est la position de la limite de fatigue la plus faible du disque. En con- séquenceles scientifiques et les ingénieurs font des recherches pour réaliser un passage pour l'air de refroidis- sement comprenant des concentrations d'efforts tangentiels réduites de sorte que le disque ait une limite de fatigue améliorée. Il est un but principal de la présente invention de réaliser un passage pour l'air de refroidissement au travers d'un disque de rotor. Une amélioration de la limite de fatigue est recherchée et il est un but spécifique de réduire les concentrations des efforts tangentiels au passa- ge de l'air de refroidissement au bord du disque. Selon la présente invention la concentration des efforts tangentiels au passage pour l'air de refroidissement dans un disque de rotor est réduite en réalisant un passage ayant une géométrie en section transversale qui est allongée autour d'un axe principal se trouvant dans un plan perpendi- culaire à l'axe de symétrie du disque de rotor. Une caractéristique principale de l'invention est un passage pour le refroidissement allongé s'étendant radialement vers l'extérieur au travers du bord du disque. Le passage comprend un petit axe et un grand axe ou axe principal, Le grand axe se trouve dans un plan perpendiculai- re à l'axe de symétrie du disque et parallèle à la direction de rotation. Selon un mode de réalisation, le périmètre du pas- sage est symétrique autour de ce grand axe et est symétri- que autour du petit axe. Une autre caractéristique de l'in- vention est la grandeur de l'allongement en section trans- versale du passage. Un principal avantage de l'invention est la bonne limite de fatigue aux efforts répétés qui résulte de la valeur réduite des efforts tangentiels concentrés à chaque passage pour l'air de refrodissement par comparaison au passage pour l'air de refroidissement de section transversa- le circulaire. La valeur des efforts résulte du profil étroit que présente le passage allongé au champs d'efforts -3- tangentiels résultant des lignes du courant tangentiel des forces. Pour que l'invention puisse être mieux comprise, référence est faite aux figures suivantes o: La figure 1 est une vue en coupe simplifiée d'une partie d'un assemblage de rotor pour un moteur à turbine à gaz. La figure 2 est une vue directionnelle prise le long de la ligne 2-2 dans la figure 1. La figure 3 est une vue en perspective de l'assem- blage de rotor avec une partie du disque éclatée pour révéler un passage allongé pour l'air de refroidissement. Une partie d'un assemblage de rotor 10 d'un moteur à turbine à gaz est représentée dans la figure 1. L'assem- blage de rotor comprend un axe de rotation Ar. Un passage 12 pour les gaz de travail passe au travers de l'assemblage de rotor. L'assemblage de rotor comprend un disque 14 et une pluralité d'aubes de rotor refroidissables représentées par l'aube de rotor 16 unique sur la figure. Les aubes de rotor se projettent vers l'extérieur dans le passage des gaz de travail à partir du disque. Le disque comprend une partie bord 18 qui est adaptée pour recevoir les aubes de rotor au moyen de fentes, par exemple une pluralité de fentes représentée Par la fente unique 20 dans la figure. Les fentes s'étendent généralement dans la direc- tion axiale. Ces spécialistesen la matière comprendront qu'une seule fente disposée circonférentiellement peut être utilisée pour recevoir les aubes de rotor au lieu d'une pluralité de fentes disposées axialement. En plus de la partie bord 18, le disque 14 a une partie âme 22 et une partie alésée 24. La partie bord, la partie âme et ia partie alésée sont disposées circonféren- tiellement autour d'un axe de symétrie As. La partie 26 pour les gaz de refroidissement passe au travers de la partie alésée et est en communication avec le passage pour l'air de refroidissement, une fente correspondante et une aube de rotor refroidissable engagée dans cette fente. Chaque passage 28 pour l'air de refroidissement comprend une axe longitudinal L. L'axe longitudinal L se -4- trouve dans un plan radial contenant l'axe de symétrie As et l'axe de rotation Ar. L'axe longitudinal fait un angle avec un plan perpendiculaire à l'axe As. Ainsi que ces spécialistes en la matière le comprendront aisément, l'axe longitudinal L peut dans certains cas se trouver dans d'autres plans, par exemple un plan perpendiculaire à l'axe A. ou un plan qui ne comprend pas l'axe As. La figure 2 est une vue en coupe prise perpendi- culairement à l'axe longitudinal du passage 28 pour l'air de refroidissement. Le passage pour l'air de refrcdissenent en section est allongé et comprend un axe principal 30 et un petit axe 32 à toute section perpendiculaire à l'axe longitudinal du passage. L'axe principal du passage se trouve dans un plan perpendiculaire à l'axe de symétrie As du disque. Le petit axe du passage se trouve dans un plan contenant l'axe de symétrie As. De préférence le rapport de la longueur du grand axe à la longueur du petit axe se trouve dans un domaine de 1,3 à 2. La figure 3 est une vue partielle en perspective représentant une fente 20 et le passage 28 pour l'air de refroidissement. Le passage pour l'air de refroilisse- ment comporte un point de raccordement 34. Les lignes T des forces tangentielles sont représentées dans la région proche du point de raccordement. Le disque est éclaté en-dessous de la partie bord 18 près de la partie âme 22 pour montrer les lignes R des forces radiales dans la région autour du passage pour l'air de refroidissement. Pendant le fonctionnement du moteur à turbine à gaz, les gaz de travail chauds et l'air de refroidissement passent dans la partie du moteur contenant l'assemblage du rotor 10. Les gaz de travail chauds passent entre les aubes de rotor 16 refroidissables se projetant vers l'ex- térieur à partir du disque 14, dans le parcours 12 de ces gaz chauds. L'air de refroidissement passe dans les aubes de rotor en passant par les passages 28 pour l'air de refroidissement dans le disque. Lorsque l'assemblage de rotor tourne autour de son axe de rotation Art des forces radiales et tangentieLes sont créées dans le disque. Les forces tangentielles agis- -5- sent dans la partie bord du disque et provoquent des con- centratbns d'efforts aux endroits dans la partie bord o la surface en section transversale n'est pas uniforme. La valeur de ces tensions résultant de ces forces et des contraintes thermiques provoquées par des changements de température inégaux dans le disque détermine la limite de fatigue du disque aux efforts répétés. La position dans la partie bord du disque qui a la résistance limite la plus basse est la région autour du point de raccordement 34 du passage 28 pour l'air de refroidissement. Le passage 28 pour l'air de refroidissement à travers la partie bord 18 avec l'axe principal 30 du passage de l'air de refroidissement danxs un plan perpen- diculaire à l'axe de symétrie présente un profil plus étroit aux lignes T des forces tangentielles que le passa- ge de l'air de refroidissement de section transversale identique ayant un axe principal se trouvant dans un plan contenant l'axe de symétrie As. Le profil le plus étroit est présenté aux lignes T des forces tangentielles par les orifices ayant l'axe principal dans un plan perpendiculai- re à l'axe de symétrie As et le petit axe 32 se trouvant dans un plan contenant l'axe de symétrie-As. En présentant un profil plus étroit aux lignes T des forces tangentielbs, on réduit la non-uniformité de la surface de section trans- versale à ce point. Par conséquent le facteur de concen- tration d'efforts est réduit et la limite de fatigue aux efforts répétés du disque augmente. Les lignes de forces radiales s'étendent vers l'intérieur dans la partie bord, comme il est montré dans la figure l et dans la figure 3. La limite de fatigoe est sacrifiée près de l'intérieur du disque au bénéfice de la limite de fatigue de la partie bord. Comme on peut le voir dans la figure 3 dans l'intérieur du disque près de, la partie âme, le passage 28 pour l'air de refroidisse- ment présente l'axe principal du passage aux lignes radiales du passage des forces plutôt que le petit axe du passage. La discontinuité de la section transversale est plus grande que si le petit axe était présenté aux -6- lignes des forces radiales et par conséquent cette grande nonuniformité de l'aire de section transversale provoque des concentratbns d'efforts plus élevées près de l'âme du disque. Malgré l'augmentation des concentrations d'efforts près de l'âme du disque, il n'y a pas de diminution de la limite de fatigue pour le disque parce que les concentrations d'efforts provoquées par les lignes des forces tangentielles à la partie bord 18 près de la région du point de raccordement 34 du passage de l'air de refroidissement et de la fente ont pour effet de situer le point de limite de fatigue minimum dans lapartie bord du disque. L'axe principal 30 du passage 28 est limité en longueur par la largeur circonférentielle de la partie la plus étroite de la fente 18. Dans la plupart des cas, la largeur du passage dépassera la largeur de la fente. La longueur minimum du petit axe 32 est fixée par la nécessité d'avoir une aire suffisante du passage pour transporter l'air de refroidissement nécessaire et la concentration d'efforts provoquée en présentant l'axe principal aux lignes de forces radiales. La longueur maximum de ce petit axe est fixée par la concentration d'efforts provoqués en présentant le petit axe aux lignes des forces tangentielles. Pour la plupart des disques de turbhes, un rapport de longueur axe principal à petit axe se situe dans l'intervalle de 1,3 à 2,0 et constitue un compromis efficace en équilibrant les facteurs de concen- trations d'efforts tangentiels contre les facteurs de concen- trations d'efforts radiaux. Dans le mode de réalisation illustré, le passage allongé a une forme elliptique bien que des trous symmétriquesautour d'une axe unique tel que l'axe principal peuvent également constituer des modes de réalisa- tion efficaces. Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux disques de rotor qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. -7- Revendications: 1. Disque de rotor pour moteur à turbine à gaz comprenant un axe de symétrie et un système de fentes permettant au disque de recevoir une pluralité d'aubes de rotor refroidissables caractérisé en ce que le disque comprend: une partie bord (18) comportant un passage (28) allongé s'étendant vers l'extérieur autour d'un axe longitudinal (L) au travers de la partie bord (18) qui est en communication avec la fente (20) et qui a une pluralité de sections transversales du passage perpendicu- laires à l'axe longitudinal (L), chaque section transver- sale du passage ayant un axe principal (30), lequel axe principal (30) se trouve dans un plan perpendiculaire à l'axe de symétrie As du disque. 2. Disque de rotor selon la revendication 1, caracté- risé en ce que chaque section transversale du passage (28) en outre comprend un petit axe (32), et le petit axe (32) de chaque section transversale se trouve dans un plan contenant l'axe de symétrie As. 3. Disque de rotor selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'axe longitudinal (L) du passage (28) se trouve dans un plan contenant l'axe de symétrie As. 4. Disque de rotor selon la revendbation 1, caracté- risé en ce que l'axe longitudinal (L) du passage (28) se trouve dans un plan perpendiculaire à l'axe de symétrie As. 5. Disque de rotor selon l'une quelconque des reven- dications 2 à 4, caractérisé en ce que le rapport de la longueur de l'axe principal (30) à la longueur du petit axe (32-) se trouve dans un domaine de 1,3 à 2,0. 6. Disque de rotor selon la revendication 4, caracté- risé en ce que le passage allongé en section a une forme elliptique. 7. Disque de rotor selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'axe longitudinal (L) du passage (28) se situe dans un plan contenant l'axe de symétrie As et o l'axe longitudinal du trou se trouve dans un plan perpendi- culaire à l'axe de symétrie As.