Brevet FR2472077A1 — publié le 19810626

La présente invention concerne des turbines à gaz et, plus spécifiquement, les aubes d'un assemblage de rotor d'une turbine de ce type. L'assemblage de rotor d'une turbine à gaz com- prend un disque de rotor comportant un axe de rotation, ainsi que plusieurs aubes s'étendant vers l'extérieur et disposées chacune autour d'un axe s'étendant dans le sens de l'envergure. Chaque aube de rotor comporte un talon auquel est fixée une surface portante s'étendant vers l'extérieur. Le disque est conçu pour recevoir le talon de chaque aube de rotor. Dans les turbines de conception moderne, bon nombre d'assemblages de rotors comportent spécifique- ment des bandages s'étendant entre les surfaces portan- tes d'aubes adjacentes. Les bandages qui s'étendent la- téralement entre des aubes de rotor adjacentes en un point situé entre la tête et le talon de ces dernières, sont appelés "bandages d'envergure partiels". Les bandages qui s'étendent latéralement entre les têtes d'aubes de rotor adjacentes, sont appelés "bandages de tête". Un exemple d'une aube à bandage de tête est illustré dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique 4.076.455 accordé au nom de Stargardter et ayant pour titre "Rotor Blade System For A Gas Turbine Engine" (= Système d'aubes de rotor pour une turbiné à gaz). Les bandages s'étendent en porte à faux à partir de l'extrados et de l'intrados de chaque surface portante. Les bandagesd'aubes adjacentes se touchent le long d'une face de contact. Dans d'autres applications, des bandages d'envergure partiels peuvent être utilisés seuls ou en combinaison avec des bandages de tête. Dans l'un ou l'autre cas, les bandages sont uti- les pour plusieurs raisons. Les bandages assujettissent les aubes l'une à l'autre en une rangée afin que chaque aube de cette rangée accepte sa part de charges mécani- ques engendrées, par exemple, lorsque les aubes sont heurtées par des objets étrangers. Les bandages con- trôlent l'amplitude des têtes d'aubes dans les condi- tions de vol et ils réduisent la tendance des aubes de rotor à dévier autour de l'axe d'envergure,- tout en mi- S nimisant les vibrations de ces aubes. L'amortissement de l'aube a lieu grâce au frottement des faces de con- tact de bandages adjacents. Toutefois, des charges de rotation supplémentaires sont engendrées par la masse additionnelle des bandages situés à proximité de la tê- te et du centre de l'aube, par comparaison avec des au- bes de rotor dépourvues de bandages. Ces charges de ro- tation amorcent des contraintes à l'interface bandage- surface portante età l'interface talon-rainure de l'au- be de rotor et du disque. Dans les aubes renforcées par bandages, ces contraintes nécessitent des constructions plus massives que les aubes non renforcées d'une résis- tance à la fatigue cyclique équivalente. En conséquen- ce, les hommes de science et les ingénieurs s'efforcent de réaliser des aubes de rotor renforcées ayant une mas- se réduite comparativement à des aubes de rotor renfor- cées de la manière habituelle, de telle sorte que les aubes de rotor possèdent une meilleure résistance à la fatigue cyclique. Un objet principal de la présente invention est d'accroître la résistance à la fatigue d'une aube de ro- tor. Un autre objet est de réduire le poids d'un banda- ge fixé à la surface portante. Un autre objet encore est de permettre une utilisation plus complète de la ca- pacité de la matière du bandage à résister aux contrain- tes unitaires maxima qui s'exercent dans cette matiè- re. Dans une forme de réalisation, un objet de l'in- vention est de fournir un bandage à planéité aérodynamique. Suivant la présente invention, un bandage pour une aube de rotor s'étend latéralement à partir de la surface portante et il est profilé, dans le sens laté- ral, de façon à assurer une répartition à peu près uni- forme des contraintes unitaires maxima s'exerçant dans la matière dont il est constitué. Une caractéristique principale de la présente invention réside dans le profil géométrique du bandage. Le bandage comporte une partie s'étendant latéralement vers l'extérieur et une partie s'étendant latéralement vers l'intérieur, laquelle réunit la partie extérieure à la surface portante. La partie extérieure comporte une surface de contact. La partie intérieure a une sec- tion transversale généralement décroissante en direc- tion de la partie extérieure. Un avantage principal de la présente invention réside dans la résistance à la fatigue cyclique résul- tant des charges de rotation réduites imposées à l'aube de rotor. Ces plus faibles charges de rotation sont dues au poids réduit du bandage fixé à la surface por- tante, par comparaison avec un bandage classique. Le poids réduit du bandage résulte du profilage latéral de la partie intérieure de ce dernier. Dans une forme de réalisation, la planéité aérodynamique est obtenue par une matière de charge profilée d'une densité inférieure à celle de la matière du bandage qui constitue la géomé- trie globale. Ces différents objets, caractéristiques et avan- tages de la présente invention, ainsi que d'autres appa- raîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-après de formes de réalisation préférées de cette dernière, en se référant aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue en élévation de face sim- plifiée d'une partie d'un assemblage de rotor dont cer- taines parties sont élaguées; la figure 2 est une vue en coupe de deux aubes de rotor, prise suivant la ligne 2-2 de la figure 1; la figure 3 est une vue en coupe prise suivant la ligne 3-3 de la figure 2; et 2472077. la figure 4 est une vue en perspective d'un bandage d'envergure partiel d'une des aubes de rotor, cette vue étant partiellement élaguée pour faire appa- raître deux sections latérales du bandage. La figure 1 est une vue en élévation de face simplifiée d'un assemblage de rotor 10 faisant partie d'une turbine à gaz et ayant un axe de rotation A. Cet assemblage de rotor comprend un disque 12, ainsi que plusieurs aubes 14 s'étendant vers l'extérieur. Cha- cune de ces aubes comporte un talon 16 et une surface portante 18 disposée autour d'un axe S s'étendant dans le sens de l'envergure. La surface portante comporte un extrados 20 et un intrados 22. La surface portante est- pourvue d'un ou plusieurs bandages s'étendant entre les aubes, comme représenté par le bandage d'envergure par- tiel 24 s'étendant latéralement à partir de l'extrados de la surface portante, ainsi que par le bandage d'en- vergure partiel 26 s'étendant latéralement à partir de l'intrados de la surface portante. Dans la forme de réalisation illustrée, la surface portante est également pourvue d'un ou plusieurs bandages s'étendant entre les aubes, comme représenté par le bandage de tête 28 s'éten- dant latéralement à partir de l'extrados de la surface portante, ainsi que par le bandage de tête 30 s'étendant latéralement à partir de l'intrados de la surface portan- te. Comme le montre la figure 2, chaque bandage com- porte un bord latéral, comme représenté, soit par le bord avant 32 du bandage d'envergure partiel 24, soit par le bord arrière 34 du bandage d'envergure partiel 26. Le bord arrière est parallèle à et espacé d'une distance Y du bord avant. Le bord avant et le bord arrière s'éten- dent sur une distance X. La figure 3 est une coupe prise à travers les bandages 24 et 26 le long d'un plan englobant une ligne parallèle à un des bords latéraux, ainsi qu'une ligne 2472077. parallèle à l'axe S qui s'étend dans le sens de l'enver- gure. Chaque bandage comporte une partie 36 s'étendant latéralement vers l'extérieur et une partie 38 s'éten- dant latéralement vers l'intérieur. La partie latérale intérieure s'étend entre la partie extérieure de chaque bandage et la surface portante 18 en y étant reliée d'une seule pièce. Le bandage peut être une construction monobloc ou être constitué de plusieurs pièces assem- blées l'une à l'autre. Chaque bandage comporte une surface supérieure et une surface inférieure 42. La surface inférieure est espacée de la surface supérieure d'une distance ayant une amplitude Tx y en n'importe quel point x,y du banda- ge. L'amplitude de cette distance varie le long de la section latérale. Une matière de charge 44 est assujet- tie à une surface du bandage (en l'occurrence, la surfa- ce inférieure) afin de former un profil à planéité aéro- dynamique. Cette matière de charge a une densité infé- rieure à celle de la matière dont est constitué le ban- dage. On pense obtenir des structures efficaces en uti- lisant, pour le bandage, un alliage léger pour applica- tions aérospatiales, tel que l'alliage "AMS 4928" (AMS = "Aerospace Material Specification") (Ti-6Al-4V) qui a une densité de 4,43 g/cm3, ainsi qu'une matière de char- ge d'une densité moindre, par exemple, une structure en nid d'abeilles à charge de mousse époxy ou un polymère organique. Comme polymère organique, on a suggéré un caoutchouc vulcanisé à la température ambiante et ayant une densité de 0,94 g/cm3. La figure 4 illustre, par des lignes en traits discontinus, le bandage 24 s'étendant vers l'extérieur à partir de l'extrados 20. Ce bandage comporte une face de contact 46 d'une largeur W. Cette face de contact a une hauteur h en n'importe quel point y. La figure 4 illustre deux sections de bandage qui sont parallèles au bord 32 s'étendant latéralement. Pour 2472077. les besoins de l'illustration, ces sections ont chacune une largeur infinitésimale Aw. Afin d'illustrer claire- ment le profil de la surface inférieu1eet celui de la surface supérieure, la matière présente entre les sec- tions et la matière de charge n'est pas représentée. Dans les constructions dans lesquelles on ne fait pas appel à une matière de charge, on peut aisément aperce- voir les profils de la surface supérieure et de la surfa- ce inférieure du bandage sans aucun enlèvement de matière de charge. La plus large des deux sections illustrées en fi- gure 4 correspond à une partie de la section illustrée en figure 3. Le plan le long duquel cette section est pri- se, passe par le point y = y1. Un congé supérieur 48 et un congé inférieur 50 de la matière du bandage s'étendent entre l'extrados 20 et la partie intérieure 38 de ce ban- dage. La partie intérieure 38 du bandage a une lon- gueur t. La partie extérieure 36 du bandage a une lon- gueur b s'étendant dans le sens latéral, ainsi qu'un cen- tre de gravité C. La longueur mesurée depuis le centre de-gravité C jusqu'à l'extrémité extérieure de la partie intérieure est dû. Une force F associée à la masse de la partie extérieure agit via le point C. L'épaisseur en n'importe quel point x,yl de la longueur de la partie in- térieure du bandage a une amplitude Tx. A x = AV. TAJy est égal à un minimum Tmin A+ xy +A, TL+AtY est égal à un maximum T. __ 9 max' Au cours du fonctionnement d'une turbine à gaz, l'assemblage de rotor tourne autour de l'axe A. A chaque élément de l'assemblage de rotor, est associée une masse qui amène les forces à agir sur cet élément et sur les éléments adjacents, amorçant ainsi des contraintes dans ces différents éléments. En ce qui concerne les bandages, la partie inté- rieure de chacun de ceux-ci, en l'occurrence la partie intérieure 38 du bandage d'envergure partiel 24, fait of- 2472077. fice de porte-à-faux pour supporter la partie extérieure 36 du bandage et la matière de charge 44 à partir de la surface portante. La partie intérieure résiste aux con- traintes dues aux forces engendrées au cours de la rota- tion. Les forces et les contraintes sont proportionnel- les aux masses de la partie intérieure, de la matière de charge et de la partie extérieure. La masse de la partie extérieure et la masse de la matière de charge associée à la partie extérieure agissent à la manière d'une charge ponctuelle passant par le centre de gravité C au point (o y1)- Le profil de la partie extérieure 36 détermine la masse de cette dernière. L'épaisseur T y et la lar- geur W ou la dimension (dans le sens de la corde) de la face de contact de la partie extérieure sont calculées conformément à des conceptions de surfaces portantes éprouvées afin de conférer, à cette partie extérieure, un profil et, partant, une masse optima. Le profil de la partie intérieure 38 du bandage 24 détermine la masse de cette partie intérieure. Cette masse constitue un des facteurs importants intervenant dans la conception de l'aube de rotor. Une masse importante n'est pas souhaitable, car non seulement elle entraîne un accroissement correspondant du poids de l'aube 14 elle- même, mais elle augmente également l'influence exercée par celle-ci dans les éléments associés tels que le rebord du disque 12, qui sont sollicités par les forces de rotation. La partie intérieure 38 est profilée de telle sorte que la contrainte unitaire maximum sélectionnée s'exerçant dans la matière dans les conditions de fonction- nement ait un coefficient de sécurité approprié et ne dé- passe pas la résistance à la fatigue cyclique de la matiè- re dont est constitué le bandage. Dans certains cas, la contrainte unitaire maximum admise s'exerçant dans la ma- tière est réglée vers le bas afin d'obtenir une meilleure rigidité. compte tenu des critères précités, la géométrie - Z472077. de la partie intérieure est étudiée pour-obtenir, dans la matière, une contrainte unitaire maximum à chaque point de l'épaisseur Tx y qui est à peu près égale à la contrain- te unitaire maximum s'exerçant dans la matière en tout au- tre point de la partie intérieure du bandage. Afin d'ob- tenir ce profil, une section latérale passant par n'impor- te quel point y, en l'occurrence la section latérale pas- sant par le point y1 et qui est illustrée dans les figu- res 3 et 4, a une épaisseur maximum Tmax à la paroi de la surface portante et une épaisseur minimum Tmin au point (x = At) o la partie intérieure rejoint la partie exté- rieure. Tx augmente dans la partie extérieure et est égal à la hauteur h du bandage à la face de contact qui, dans le sens latéral, se situe le plus à l'extérieur de la par- tie extérieure. La longueur t de la partie intérieure et la longueur b de la partie extérieure de chaque section sont sélectionnées conformément à des conceptions de sur- faces portantes éprouvées et elles sont fonction des con- ditions aérodynamiques et mécaniques requises qui détermi- nent l'écartement circonférentiel des aubes. Telle qu'elle est illustrée en figure 4, la sec- tion latérale de la figure 3 a la largeur infinitésimale associée Aw. La répartition d'épaisseur est déterminée par la courbe Tx = f(x) pour n'importe quelle section la- térale passant par un point y. Pour les besoins de l'il- lustration, en se basant sur l'hypothèse simplificatrice selon laquelle les masses agissent à la fois à la manière d'une charge axiale pure et d'une charge uniforme pure, l'équation pour T = f(x) est du second degré pour la par-, tie intérieure 38 du bandage. Pour la partie intérieure du bandage, Tx = Tl+,L= Tmax à l'extrados 20 de la surface portante et Tx = TA^ = T min au prolongement latéral exté- rieur extrême de la partie intérieure. Entre T max et Tmin, l'équation pour T = f(x) est du second degré et elle se présente sous la forme C TX + C2T-+ Cx + C4 = 0. Pour une charge axiale pure en n'importe quel point x, l'épais- 2472077. seur Tx est égale à Tmax multiplié par la racine carrée de la quantité x, divisé par la sommation de la longueur&. de la partie intérieure et de la longueur AI comprise en- tre la partie intérieure et le centre de gravité C de la partie extérieure 36, = T. ( x l/ Pour une charge uniforme pure, Tx est égal à Tmax multiplié par la quantité x, divisé par la sommation de la longueur l de la partie intérieure et de la longueur As comprise entre la partie intérieure et le centre de gravité C de la partie extérieure 36, [ * (=Tmax]. La sommation des deux équations est une courbe du second degré dans Tx> x ayant la forme d'une parabole. La courbe résultante est une répartition d'épaisseur. En appliquant la répartition d'épaisseur cidessus à un bandage d'envergure partiel ayant une surface supérieure qui est un arc de cercle, la courbe de la surface intérieure le long d'une section laté- rale tend vers une ligne droite avec une- légère courbure à la partie extérieure proche de l'extrémité qui agit pour réduire les concentrations de contraintes. En appliquant la même répartition d'épaisseur à un bandage d'envergure partiel ayant une surface supérieure plane, la courbe de la surface intérieure le long d'une section latérale est une courbe du second degré. Afin de simplifier la fabri- cation, la courbe tracée, par exemple, sur la surface in- férieure, peut être remplacée par une ligne droite appro- ximative. Des techniques de fabrication et des techniques de calcul sophostiquées par ordinateur permettent de réa- liser les surfaces avec une très grande précision et d'ob- tenir des constructions présentant, dans la matière, une contrainte unitaire maximum à peu près égale à celle obser- vée en n'importe quel autre point -de la partie intérieure du ban- dage. Des structures ayant une géométrie moins sophisti- quée peuvent néanmoins être efficaces lorsque les contrain- tes unitaires maxima s'exerçant dans la matière du bandage en travers de ce dernier sont à peu près uniformes. On peut escompter que les structures présentant des varia- tions de 20% maximum dans la contrainte unitaire maximum s'exerçant dans la matière, seront efficaces. L'addition d'une matière de charge d'une densité inférieure à celle de la matière du bandage dans le but de conférer une planéité aérodynamique à la surface por- tante, donne lieu à un accroissement de la masse du ban- dage et des contraintes exercées dans la surface portan- te, le talon et le disque, accroissement qui est cepen- dant moindre que dans une surface portante ayant un pro- fil aérodynamique équivalent et constituée entièrement de la même matière que celle du bandage. En fait, tout assemblage de rotor dans lequel on utilise un bandage comportant des sections latérales qui présentent une con- trainte unitaire maximum dans la matière à proximité de la paroi, ainsi qu'une épaisseur maximum à la paroi, une épaisseur minimum à l'extrémité extérieure de la partie intérieure avec à peu près la même contrainte unitaire maximum dans la matière, une répartition d'épaisseur Tx = f(x) apparaissant le long de chaque section depuis l'épaisseur maximum jusqu'à l'épaisseur minimum avec, par ailleurs adjonction d'une matière de charge dans le but d'obtenir un profil aérodynamique, aura une meilleure résistance à la fatigue cyclique comparativement à des bandages présentant la même géométrie d'ensemble et réa- lisés entièrement avec la même matière. Bien que la présente invention ait été illustrée et décrite en se référant à une de ses formes de réalisa- tion préférées, l'homme de métier comprendra que diverses modifications et omissions peuvent être envisagées tant dans sa forme que dans ses détails, sans se départir de son esprit et de son cadre. 2472077. 1l REVENDICATIONS 1. Aube de rotor du type utilisé dans les turbi- nes à gaz et comportant une surface portante disposée au- tour d'un axe s'étendant dans le sens de l'envergure, ain- si qu'un bandage s'étendant latéralement à partir de la surface portante, caractérisée en ce qu'elle comprend: un bandage comportant une partie latérale exté- rieure ayant une surface de contact grâce à laquelle l'aube de rotor vient s'engager sur une surface de contact d'un bandage adjacent d'une aube de rotor adjacente après installation dans la turbine, et une partie latérale intérieure s'étendant entre la partie latérale extérieure et la surface portante en y étant reliée d'une seule pièce afin d'offrir un support pour la partie latérale extérieure, la partie intérieure du bandage ayant un profil géométri- que étudié de telle sorte que la contrainte unitaire maxi- mum s'exerçant dans la matière soit à peu près uniforme sur toute la longueur latérale de la partie intérieure. 2. Aube de rotor du type utilisé dans les turbi- nes à gaz et comportant une surface portante disposée au- tour d'un axe s'étendant dans le sens de l'envergure, ain- si qu'un bandage s'étendant latéralement à partir de la surface portante, caractérisée en ce qu'elle comprend: un bandage comportant une partie latérale exté- rieure ayant une surface de contact grâce à laquelle l'aube de rotor vient s'engager sur une surface de contact d'un bandage adjacent d'une aube de rotor adjacente après installation dans une turbine à gaz, et une partie latérale intérieu- re comportant un bord latéral et s'étendant entre la partie latérale extérieure et la surface portante en y étant reliée d'une seule pièce afin d'offrir un support pour la partie latérale extérieure, cette partie latérale intérieure du bandage ayant un profil géométrique étudié de telle sorte que toute section prise à travers le ban- dage le long d'un plan englobant une ligne parallèle au 2472077. bord d'attaque et une ligne parallèle à l'axe s'étendant dans le sens de l'envergure, ait une épaisseur maximum à la surface portante et une épaisseur minimum à l'extrémité extérieure de la partie latérale intérieure, avec une co- nicité allant de l'épaisseur maximum à l'épaisseur mini- mum, une matière de charge d'une densité inférieure à cel- le de la matière du bandage étant assujettie à la surface portante pour assurer une planéité aérodynamique, tandis que la contrainte unitaire maximum s'exerçant dans la ma- tière au point d'épaisseur maximum est à peu près égale à celle observée au point d'épaisseur minimum. 3. Bandage suivant la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il comporte également un bord latéral, une surface supérieure et une surface inférieure espacée d'une distance T de cette surface supérieure, xy Tx y étant situé dans une section prise à travers le ban- dage le long d'un plan englobant une ligne parallèle au bord précité, ainsi qu'une ligne parallèle à l'axe d'enver- gure et passant par un point y1, Tx y ayant une amplitude T à un premier endroit et une amplitude T, à un 1y1 x2yl' second endroit, lequel est latéralement plus éloigné de la surface portante que le premier endroit, le rapport Tx: Tx y étant inférieur ou égal à un dans la partie sup-21 port TX2yl,tandis que le rapport Tx2yl:TxY T _l 1,O xlyl est supérieur ou égal à un dans la partie de contact IT x2y1 n (T 2 _ O xlyl 4. Bandage suivant la revendication 3, caracté- risé en ce qu'une importante partie de la surface infé- rieure de la partie intérieure du bandage est linéaire dans cette section. 5. Bandage suivant la revendication 3, caracté- risé en ce qu'une importante partie de la surface infé- rieure de la partie intérieure du bandage est, dans cette section, une courbe définie par une équation du second degré. 6. Bandage suivant l'une quelconque des reven- dications 1, 3, 4 et 5, caractérisé en ce qu'une matière- de charge ayant une densité inférieure à celle de la ma- tière du bandage est assujettie à cette dernière pour lui conférer un profil aérodynamique.