Brevet FR2471502A1 — publié le 19810619

La présente invention concerne les aubes de ven- tilateur de turbines à gaz pour turboréacteurs à double flux et, plus particulièrement, la fixation de ces aubes à des rotors à forte charge dans ces turbines. Les concepts de l'invention ont été élaborés, dans le domaine des turboréacteurs à double flux, dans le but de réduire les niveaux de contrainte maxima dans les aubes mobiles de l'étage de ventilateur à la zone de transition géométrique située entre les surfaces portantes et les talons des aubes. Toutefois, ces concepts sont éga- lement applicables à d'autres domaines dans lesquels on utilise des pièces de configuration semblable. Pour la fixation des talons des aubes de venti- lateur utilisées couramment à l'échelle universelle dans les turboréacteurs à double flux, on adopte des éléments de fixation rectilignes dans lesquels les lignes média- nes de chaque talon d'aube et de la rainure de fixation correspondante s'étendent en diagonale en travers du re- bord périphérique du disque. Ces conceptions techniques se sont jusqu'à présent avérées satisfaisantes pour fixer les aubes au disque. Toutefois, les turboréacteurs fa- briqués dans l'avenir comporteront vraisemblablement des aubes de ventilateur dont les têtes seront soumises à des vitesses plus élevées, si bien que des forces de retenue plus importantes devront être appliquées aux talons de ces aubes. Dans ces turboréacteurs, une grande attention doit être accordée aux niveaux de contrainte concentrés le long de l'envergure des aubes de ventilateur, tels qu'ils apparaissent aux talons et aux pieds de confinement d'écoulement intégrés de la manière habituelle. Les con- cepts de la présente invention visent à réduire ces niveaux de contrainte concentrés. Bien que l'on décrive ici une nouvelle structure, dans les domaines de la technique des turbines à vapeur et des turbines à gaz, on trouve certaines constructions de la technique antérieure présentant une géométrie semblable à celle des aubes de ventilateur de la présente invention. Parmi les exemples représentatifs du domaine des turbines à vapeur, on mentionnera ceux illustrés dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique 1. 041.269 au nom de Guyer, ayant pour titre "Blading for Turbines" (= Aubage pour turbines), 1.719.415 au nom de Back, ayant pour titre "Turbine Blade Attachment" (= Système de fixation d'aubes de turbines), 1. 793.468 au nom de Densmore, ayant pour titre "Turbine Blade" (= Aube de turbine) et 3.986.793 auxnoms de Warner et al., ayant pour titre "Turbine Rotating Blade" (= Aube rotative de turbine). Dans chacun de ces brevets, on dé- crit des aubes de turbine dont les talons présentent des géométries courbes, de façon à épouser à peu près le pro- fil des surfaces portantes respectives. Dans chaque cas, les talons ont une configuration géométrique à section transversale uniforme en travers de l'élément de fixation. Dans le domaine des turbines à gaz, une construc- tion géométriquement semblable, mais techniquement distinc- te est décrite dans le brevet français 1.143.952. Grâce à la structure décrite dans ce brevet, une géométrie cour- be est appliquée au talon d'une aube de turbine refroidie afin de permettre l'écoulement d'air de refroidissement dans une aube à passages multiples. Dans une structure de turbine selon le brevet français précité, les talons des aubes sont évasés, de façon à être maintenus fermement dans l'assemblage de turbine par un effet de calage conformément à la description de ce brevet. Toutefois, il est à noter que les charges aérodynamiques escomptées exercées sur l'aube sont orientées dans une direction dans laquelle el- les ont tendance à déplacer l'aube calée à l'écart de son siège. En outre, il est à noter que le centre de gravité de l'aube est situé sur une zone de sections transversales de talon relativement plus petites. En dépit des talons d'aubes de turbines à confi- guration courbe et/ou à section décroissante décrites ci- dessus, la configuration des talons d'aubes de ventilateur a été maintenue à des géométries rectilignes. Suivant la présente invention, on assure une répartition à peu près uniforme, dans le sens de la corde, des niveaux de contrainte locaux dans le talon d'une aube de ventilateur dépourvue de pied, en profilant ce talon avec une section décroissante depuis l'extrémité d'aval jusqu'à l'extrémité d'amont de l'aube, autour d'une ligne médiane courbe se rapprochant de la ligne médiane projetée de la section transversale de la surface portante, prise le long de la paroi intérieure du parcours d'écoulement du milieu de travail. Suivant une forme de réalisation détaillée de l'invention, la ligne médiane de la section transversale de la surface portante de l'aube est un arc non circulaire et la ligne médiane du talon de cette aube est un arc cir- culaire qui s'étend dans le même plan que la ligne médiane de la section transversale de la surface portante au bord de fuite de l'aube en en étant légèrement décalé vers l'ex- trados de la surface portante au bord d'attaque de l'aube. Une caractéristique principale de la présente invention réside dans la géométrie du talon de l'aube. Ce talon présente une courbure en arc se rapprochant de la courbure de la surface portante à la.paroi intérieure du parcours d'écoulement du milieu de travail. De plus, le talon est à section décroissante convergeant depuis l'ex- trémité d'aval jusqu'à l'extrémité d'amont de l'aube de ventilateur afin d'obtenir une plus grande surface en sec- tion transversale dans des zones o s'exercent des charges centrifuges élevées, sans accroître la densité du talon de l'aube à l'extrémité d'amont du disque dans lequel les au- bes mobiles doivent être mises en place. Dans une forme de réalisation détaillée, le talon est formé autour d'une ligne médiane décrivant un arc circulaire. Le talon com- porte des dents s'étendant latéralement depuis la li- gne médiane jusqu'à des arcs circulaires correspondants formés au départ de points équidistants du point à partir duquel est formée la ligne médiane. On peut utiliser une seule dent comme c'est le cas dans le système de fixation du type en queue d'aronde, ou plusieurs dents, comme c'est le cas dans le système de fixation du type en sapin. Un avantage principal de la présente invention réside dans le fait qu'elle permet d'éviter la présence de contraintes localement importantes dans la zone de transition comprise entre le talon et la surface portante des aubes de ventilateur. Les contraintes maxima s'exer- çant spécifiquement dans la partie avant de l'extrados du talon et dans la partie arrière de l'intrados de ce der- nier sont réduites en donnant une géométrie courbe à ce talon. On évite les facteurs de concentration de contrain- tes le long de l'envergure de l'aube en fixant un élément définissant un parcours d'écoulement directement au disque du rotor en lieu et place de pieds d'aubes intégrés. Une utilisation efficace d'un talon d'aube à géométrie courbe est rendue possible en donnant, à ce talon, une configura- tion à section décroissante dans la zone du bord d'attaque. La contrainte de membrane maximum attribuable à la traction centrifuge et qui s 'exerce spécif iquement en un point situé à peu près à 75% de la corde, est réduite grâce à cette confi- guration à section décroissante qui permet d'accroître la section transversale du talon dans cette zone. En outre, la géométrie des talons d'aubes suivant la présente inven- tion permet l'élaboration de profils de surfaces portantes sophistiqués sans engendrer les niveaux de contrainte ex- cessifs inhérents aux talons d'aubes de conception classi- que. Les avantages et caractéristiques précités de la présente invention, ainsi que d'autres apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée en se référant aux dessins annexés qui illustrent le meil- leur mode de mise en oeuvre de l'invention actuellement en- visagé; dans ces dessins: la figure 1 est une illustration simplifiée d'une partie d'un assemblage de ventilateur d'un turbo- réacteur à double flux, comportant l'aube mobile de la présente invention; la figure 2 est une vue en perspective d'une aube de ventilateur du type prévu dans -ce turboréacteur; la figure 3 est une vue par le dessous du ta- lon de l'aube illustrée en figure 1, cette vue montrant la géométrie à courbure en arc et à section décroissante de cette aube; la figure 4 est une vue de l'extrados de l'aube illustrée en figure 1; la figure 5 est une vue en bout de face illus- trant le talon au bord d'attaque de l'aube de la figure 1; la figure 6 est une vue par le sommet de l'aube, cette vue illustrant des projections des vues en coupe A-A et B-B de la figure 4 sur le talon de l'aube; la figure 6A est un diagramme illustrant la ré- partition, dans le sens de la corde, des niveaux de con- trainte à la section du talon de l'aube de la figure 6 o s'exerce la contrainte maximum; la figure 7 (technique antérieure) est une vue correspondant à celle de la figure 6 et illustrant des pro- jections théoriques des vues en coupe A-A et B-B sur un talon d'aube rectiligne; et la figure 7A (technique antérieure) est un dia- gramme illustrant la répartition, dans le sens de la corde, des niveaux de contrainte à la section de l'aube théorique de la figure 7 o s'exerce la contrainte maximum. La figure 1 illustre les concepts de la présente invention, tels qu'ils sont-appliqués à l'assemblage de ventilateur 10 d'une turbine à gaz de turboréacteur à dou- ble flux. Plusieurs aubes de ventilateur 12 s'étendent vers l'extérieur à partir d'un disque de rotor 14. Chacu- ne de ces aubes comporte une surface portante 16 et un ta- lon 18. Dans la forme de réalisation illustrée, le talon a, en coupe transversale, une géométrie en "queue d'aron- de" et il vient s'engager dans une rainure de configura- tion correspondante 20 pratiquée dans le disque de rotor. Chaque aube comporte également un bord d'amont ou bord d'attaque 22 à l'extrémité d'amont 24 du disque et un bord d'aval ou bord de fuite 26 à l'extrémité d'aval 28 de ce disque. Chaque aube comporte un extrados 30 à géométrie convexe et un intrados 32 à géométrie concave. Dans la forme de réalisation illustrée, un pied 34 s'étend entre l'extrados de chaque aube et l'intrados de l'aube adjacen- te. Les pieds s'étendant entre les aubes forment, ensem- ble, la paroi intérieure du parcours d'écoulement du milieu de travail en travers des aubes de-ventilateur. Comme le montre la figure 1, chaque pied est articulé directement au disque de rotor. Dans d'autres formes de réalisation, la périphérie du disque de rotor peut former la paroi in- térieure du parcours d'écoulement du milieu de travail. Une aube de ventilateur 12 réalisée conformément aux concepts de la présente invention est illustrée dans la vue en perspective de la figure 2 et la vue en bout cor- respondante de la figure 3. La ligne de butée prévue L du pied adjacent tracée dans les dessins indique la partie intérieure extrême du parcours d'écoulement pour les gaz du milieu de travail. Une zone de transition 36 s'étend en- tre la surface portante 16 et le talon 18. Le talon a une configuration géométrique courbe et comprend deux dents 38 de profil semblable s'étendant latéralement dans ce talon. On peut aisément observer le profil courbe du ta- lon dans la vue en bout de la figure 3. Les dents 38A et 38B sont formées autour d'une ligne médiane circulaire ayant un rayon RR. Ce rayon est tracé à partir d'un point PR s'étendant dans le sens latéral du talon entre le bord d'attaque et le bord de fuite. Le talon a une section dé- croissante convergeant autour de la ligne médiane RM depuis l'extrémité d'aval ou le bord de fuite 26 de l'aube jusqu'à l'extrémité d'amont ou le bord d'attaque 22 de cette aube. La courbure convexe de la dent 38A et la courbure concave de la dent 38B ont des rayons pratiquement égaux RA et RB respectivement. Les centres de courbure PA et PB respec- tivement sont situés sur une ligne passant par le point PR et le point d'intersection de la ligne médiane du ta- lon avec le bord d'aval ou bord de fuite 26 de ce dernier. Les points PA et PB sont équidistants du point PR, confé- rant ainsi, au talon, une section décroissante uniforme le long de la ligne médiane. La figure 4 est une vue latérale en élévation de l'extrados de l'aube illustrée en figure 2 et la figu- re 5 est une vue de face illustrant le bord d'attaque de la même aube. La contrainte de membrane maximum attribua- ble à la traction centrifuge s'exerce, dans une aube de ce type, à proximité du centre de gravité (dans le sens de la corde) qui se situe spécifiquement à peu près à 75% de la corde dans la zone S. Des contraintes localement plus importantes s'exercent aux surfaces de l'aube suite à la tendance de la surface portante à se détordre, sur la face concave de cette dernière à environ 25% de la corde dans la zone S1 et sur la face convexe de cette surface portan- te à environ 75% de la corde dans la zone S2. Ces con- traintes exercent un effet maximum par l'intermédiaire de facteurs de concentration de contraintes spécifiques de l'ordre de 2,5 à 3,5, aux rayons de congé 40 au-dessus des dents du système de fixation en queue d'aronde. Selon une caractéristique hautement importante, les aubes de ventilateur suivant la présente invention ne comportent pas de pieds intégrés d'une seule pièce pour dé- finir la paroi intérieure du parcours d'écoulement du mi- lieu de travail, ces pieds étant plutôt assemblés directe- ment au disque de rotor par une technique appropriée telle que la structure à articulations et pivots illustrée en figure 1. Etant donné que les pieds sont ainsi éloignés des parois définissant l'extrados et des parois définissant l'intrados des aubes de ventilateur, on évite la concentra- tion de contraintes dans des zones de forte contrainte de flexion à la jonction entre les parois et le talon de l'au- be. L'application de facteurs de concentration de contrain- tes de l'ordre de 1,2- à 1,4 à la jonction entre le pied et la surface portante permet de limiter, dans cette zone, les contraintes spécifiques s'exerçant dans les aubes de la technique antérieure. On évite ces contraintes de limita- tion de durée de vie dans la structure de la présente in- vention. Bien que les aubes dépourvues de pieds ne soient pas une nouveauté, leur concept constitue une partie de l'objet de la présente invention décritici, tel qu'il est utilisé avec la nouvelle géométrie adoptée pour les talons d'aubes. Etant donné qu'elles sont exemptes de la concen- tration de contraintes décrite ci-dessus, les aubes de ventilateur sans pied suivant la présente invention sont soumises à une contrainte limitée aux rayons de congé en- tre leur surface portante et leur talon. En conséquence, les concepts de la présente invention visent à réduire les contraintes le long des rayons de congé entre la surface portante et le talon des aubes. Afin d'illustrer les con- cepts de la présente invention, on établit une comparaison entre la nouvelle aube de ventilateur de la figure 6 dont le talon a une configuration courbe à section décroissante, et l'aube de ventilateur plus traditionnelle de la figure 7 ayant un talon rectiligne s'étendant en diagonale. Les au- bes ont été modelées par ordinateur dans des conditions de conception selon lesquelles le rapport de pression en tra- vers du talon de l'aube est de 1,7, tandis que le rapport de pression en travers de la tête de l'aube est de 1,9. La vitesse atteinte à la tête de l'aube dans les conditions de conception a été fixée à 510 mètres par seconde. Du point de vue géométrique, chaque aube a, au talon, une corde de 123 mm, ainsi qu'une envergure de 444 mm, avec un allongement géométrique (envergure moyenne de la surface portante divisée par la longueur moyenne du ta- lon) de 3,6. On considère que chaque aube a été réalisée en un alliage de titane à haute résistance. On a utilisé les propriétés appréciables de l'alliage de titane "AMS 4928". Les concepts de la présente invention sont égale- ment applicables à d'autres compositions de matières tant métalliques que non métalliques. Ces concepts peuvent être particulièrement intéressants dans des structures renforcées de fibres d'un haut module et d'une grande ré- sistance. Les illustrations des figures 6 et 7 (technique antérieure) correspondent à la vue par le sommet de la fi- gure 4 qui représente une aube avec les coupes A-A et B-B projetées sur la géométrie du talon. La coupe A-A est pri- se à travers l'aube à la paroi intérieure du parcours d'écoulement du milieu de travail, tandis que la coupe B-B est prise à travers la zone de la tête de l'aube. Sous des charges aérodynamiques, la surface portante a tendance à subir une détorsion dans le sens des aiguilles d'une montre comme indiqué dans les figures 6 et 7 (technique antérieure). Dans la figure 6 qui illustre une aube suivant la présente invention, la coupe transversale A-A de cette aube est prise à la paroi intérieure du parcours d'écoule- ment du milieu de travail et elle est formée autour d'une ligne médiane en arc non circulaire LA. La ligne médiane LR du talon est un arc circulaire et elle a un rayon de courbure RR qui engendre une ligne médiane dont la courbu- re est proche de celle de la ligne médiane en arc non cir- culaire LA. Lors de l'optimalisation de la structure, il a été déterminé que les plus faibles contraintes donnaient lieu à des configurations dans lesquelles la zone du bord d'attaque de la ligne médiane LR est décalée vers le côté convexe ou extrados de la ligne médiane LA, tandis que la zone du bord de fuite de cette ligne médiane LR s'étend dans le même plan que la ligne médiane LA. De plus, comme le montre plus clairement la figure 3, lors de l'élabora- tion de la géométrie à section décroissante du talon de l'aube, on trace une ligne droite de référence X passant par le point PR et l'intersection de la ligne médiane de talon LR avec le bord de fuite ou bord d'aval 26. La dent concave 38A et la dent convexe 38B ont des rayons de cour- bure égaux R A et RB partant des centres respectifs PA et PB qui sont situés sur la ligne X à des distances égales du point PR. La courbure du talon selon la géométrie illus- trée offre l'avantage de réduire les contraintes de fle- xion locales dans la zone de transition comprise entre le talon et la surface portante de l'aube. Ces contraintes de flexion locales sont dues à la tendance de l'aube à su- bir une détorsion sous des charges aérodynamiques et cen- trifuges. La réduction de la contrainte de flexion entraî- ne une réduction concomitante de la contrainte maximum avec, pour résultat, une plus faible tendance à la forma- tion et à la propagation de fissures. Les fissures se for- mant sur la surface sont dues au fait que les plus fortes contraintes s'exerçant dans cette zone ont tendance à se propager à une fréquence croissante vers le centre de l'au- be. Il arrive un moment o cette propagation est suffisan- te pour entraîner une rupture de l'aube. On évite la for- mation de fissures, tout en atténuant la tendance à la propagation de ces dernières à partir de la surface de la structure métallique en réduisant la contrainte maximum s'exerçant dans cette zone. Les contraintes superficielles calculées le long des rayons de congé sur les faces concave et convexe des aubes sont représentées par des courbes sur les diagrammes correspondants des figures 6A et 'A (technique antérieure) afin d'illustrer les répartitions des niveaux de contrain- te dans le sens de la corde. On notera en particulier que, dans le diagramme de la figure 7A (technique antérieure) illustrant l'aube à talon rectiligne classique, les niveaux de contrainte maxima atteignent 5. 950 kg/cm2 sur la face 247 1502 il concave de l'aube à peu près à 25% de la corde, tandis qu'ils atteignent 4.200 kg/cm2 sur la face convexe de l'aube à peu près à 75% de la corde. Les courbes du dia- gramme de la figure 6A représentent les données correspon- dantes calculées pour l'aube comparative dont le talon est profilé selon une géométrie conforme aux concepts de la présente invention. Par comparaison, les contraintes ma- xima s'exerçant en un point situé à 25% de la corde dans l'aube à talon rectiligne et à 75% de la corde dans cette même aube sont sensiblement réduites. Sur la face conca- ve de l'aube, les niveaux de contrainte sont plus unifor- mes, pour atteindre un maximum d'environ 3.150 kg/cm2 en un point situé à 50% de la corde. D'une manière corres- pondante, les contraintes s'exerçant sur la face convexe de la surface portante sont relativement réduites à un ni- veau presque uniforme d'environ 2.450 kg/cm2. Un facteur de concentration de contraintes de traction de 2,8 et un facteur de concentration de con- traintes de flexion de 1,6 sont appliqués aux données de la figure 7A (technique antérieure) pour obtenir une con- centration totale de contraintes de 12.390 kg/cm2. L'ap- plication des mêmes facteurs de concentration de contrain- tes donne une concentration de contraintes maximum de 8.260 kg/cm2. L'amplitude de la réduction des contraintes ob- tenue suivant la présente invention est importante, mais elle est exprimée de manière encore plus significative en termes de résistance à la fatigue en régime cyclique faible. On sait, par exemple, qu'une réduction des contraintes de 10% donne lieu à une amélioration d'environ 100% de la résis- tance à la fatigue en régime cyclique faible. Bien que l'invention ait été illustrée et décri- te en se référant à des formes de réalisation détaillées, l'homme de métier comprendra que diverses modifications et -35 omissions peuvent être envisagées tant dans sa forme que dans ses détails, sans se départir de son esprit et de son cadre. 2 47 15 0 2 REVEND ICAT IONS 1. Aube de ventilateur du type disposé en tra- vers du parcours d'écoulement annulaire prévu pour les gaz du milieu de travail dans la section de ventilateur d'un turboréacteur à double flux, caractérisée en ce qu'elle comprend: une surface portante ayant un profil à section trans- versale courbe à la paroi intérieure du parcours d'écoule- ment du milieu de travail; et un talon comportant une extrémité d'amont et une ex- trémité d'aval, ce talon ayant un profil courbe se rapprochant de ce- lui de la section transversale de la surface portante à la paroi intérieure du parcours d'écoulement du milieu de travail, en projection sur le talon, ce dernier étant à section décroissante convergeant de l'extrémité d'aval vers l'extrémité d'amont de l'aube. 2. Aube de ventilateur suivant la revendica- tion 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un extrados et un intrados, la section transversale projetée de la surface portante comportant une ligne médiane LA en arc non circulaire, tandis que le talon comporte une ligne mé- diane LR en arc circulaire, la ligne médiane LA en arc non circulaire de la sec- tion transversale projetée de la surface portante étant décalée vers l'extrados de l'aube par rapport à la ligne médiane en arc circulaire LR à l'extrémité d'amont de l'au- be, tout en s'étendant essentiellement dans le même plan que la ligne médiane en arc circulaire LR à l'extrémité d'aval de l'aube. 3. Aube de ventilateur suivant la revendica- tion 2, caractérisée en ce que la ligne médiane en arc circulaire LR a un rayon RR partant d'un point PR et s'étendant dans le sens latéral de l'aube entre l'extrémi- té d'amont et l'extrémité d'aval de cette dernière. 4. Aube de ventilateur suivant la revendica- tion 3, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une dent courbe à son extrados et au moins une dent courbe à son intrados, ces dents s'étendant jusqu'à des rayons à peu près égaux RA et RB partant respectivement de points PA et PB, lesquels sont situés respectivement sur une li- gne X à des distances égales du point PR, cette ligne X passant par le point PR et par l'intersection de la ligne médiane LR du talon avec le bord d'aval de l'aube.