Brevet FR2483033A1 — publié le 19811127

- 483033 La présente invention concerne un moyen d'amortissement des vibrations d'éléments structuraux. s On utilise généralement, comme moyen d'amortissement des vibrations d'un organe structural annulaire, une bague d'amor- tissement. D'ordinaire, cette bague est de forme annulaire, est concentrique avec l'organe structural, et peut être dis- posée soit radialement vers l'extérieur, soit radialement vers l'intérieur de l'organe structural. Elle est normalement maintenue contre l'organe structural, de manière appropriée. 10. Pour des raisons qui seront expliquées plus loin, l'ef- ficacité d'une bague d'amortissement s'accroît lorsque la distance entre l'axe neutre de la bague et l'axe neutre de l'organe structural augmente. L'axe neutre d'un corps est l'axe formé par les points de contrainte nulle dans ce corps. D'un côté de l'axe neutre, le corps est soumis à une contrain- te de traction alors que, simultanément, de l'autre côté de l'axe neutre, il est soumis à une contrainte de compression. De telles contraintes à l'intérieur du corps augmentent à me- sure qu'augmente la distance à l'axe neutre. Par exemple, à l'interface entre une surface intérieure radiale d'un organe structural et une bague d'amortissement pendant les périodes de vibration, l'organe structural est soumis à une compres- sion alors que la bague d'amortissement est soumise à une contrainte de traction. En augmentant la distance entre axes neutres on accroît également les contraintes de compression de l'organe structural et les contraintes de traction de la bague d'amortissement à l'interface de l'organe structural et de la bague. Par suite d'une plus grande différence résul- tante entre les contraintes de compression de l'organe struc- tural et les contraintes de traction de la bague d'amortisse- ment, un glissement prend naissance. Ce glissement est le dé- placement tangentiel relatif entre la bague d'amortissement et l'organe structural. Quand celui-ci vibre, la bague d'à- mortissement ne suit pas la vibration mais glisse ou coulis- se tangentiellement par rapport à l'organe structural. Par suite des frottements, un tel déplacement relatif dégage de la chaleur ce qui correspond à une dissipation d'énergie. De cette façon, le glissement provoque la dissipation sous for- 24830D3 me de chaleur de l'énergie de vibration. Ainsi, en augmentant la distance entre l'axe neutre de la bague d'amortissement et l'axe neutre de l'organe structural, on accroît le glissement, et par suite, l'efficacité de l'amortissement. La plupart des bagues d'amortissement sont placées dans une position contiguë ou presque contiguë à l'organe à amor- tir. Par exemple, certains organes structuraux comportent une rainure (ou récepteur de bague) pratiquée dans leur masse et dans laquelle vient se lcger la bague d'amortissement. Il s'ensuit que les axes neutres de la bague d'amortissement et de l'organe structural sont relativement proches l'un de l'au- tre. L'efficacité de l'amortissement s'en trouve diminuée. En outre, des puits thermiques, des renforts anti-vibrations ou d'autres dispositifs sont souvent ajoutés à l'organe structu- ral. Il s'agit de rebords de l'organe structural lui-même s'étendant normalement radialement. Lorsque la bague d'amor- tissement est disposée- du même côté de l'organe structural que les dispositifs ci-dessus, les axes neutres de la bague et de l'organe structural sont encore plus rapprochés, ce qui entraîne une réduction correspondante de l'efficacité de l'a- mortissement. Un autre problème posé par les bagues d'amortissement est *de les maintenir dans un emplacement et dans une position ap- propriés par rapport à l'organe structural tout en permettant un montage et un remplacement faciles. Il faut empêcher à la fois un déplacement axial et un déplacement radial de la ba- gue d'amortissement tout en permettant, comme indiqué plus haut, un déplacement tangentiel relatif, ou glissement, entre la bague et l'organe structural. Bien que des bagues d'amor- tissement selon l'art antérieur aient été réalisées en métal et coupées axialement pour faire face à certaines des condi- tions requises ci-dessus, on n'en connaît pas qui les aient remplies toutes de manière aussi satisfaisante que dans le cas de la présente invention. La présente invention concerne un moyen destiné à amor- tir les vibrations d'une organe structural et comprend une bague d'amortissement munie d'un évidement annulaire destiné à recevoir une partie de pièce formant prolongement telle qu'un rebord de l'organe structural et, par ce moyen, effec- tuer le montage de la bague d'amortissement sur l'organe structural. Dans une réalisation particulière de l'invention o la bague d'amortissement est disposée radialement vers l'inté- rieur du rebord de l'organe structural, la bague d'amortisse- ment est métallique et coupée ou fendue ce qui lui permet d'être retenue radialement contre le rebord. Cette bague peut, en outre, être dotée de moyens, tels que des pattes s'éten- dant radialement, pour réduire son déplacement axial par rap- port au rebord de l'organe structural. La bague d'amortissement peut avoir une section de forme quelconque. De préférence, cette forme correspond à celle du prolongement ou rebord de l'organe structural qu'elle reçoit. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent, respectivement: Fig. 1, une vue partielle, en coupe, de la moitié supé- rieure de la section turbine d'un moteur à turbine à gaz do- tée d'une réalisation de la présente invention, Fig. 2, une vue partielle en coupe, agrandie, de la par- tie de la section turbine dotée de la présente invention, Fig. 3, une vue en coupe d'une bague d'amortissement représentative de la présente invention, faite suivant l'a- xe 3-3 de la figure 4. Fig. 4, une vue de face d'une bague d'amortissement représentative de la présente invention, et Fig. 5, une vue partielle en coupe, agrandie, d'un agen- cement de bague d'amortissement selon l'art antérieur. En se reportant maintenant à la figure 1, on voit un agencement de certains composants d'un moteur à turbine à gaz-type dans lequel on peut utiliser avec profit la présen- te invention. Il doit être entendu, cependant, que la descrip- tion de la présente invention telle qu'elle est utilisée dans la section turbine d'un moteur à turbine à gaz ne constitue qu'un exemple d'utilisation possible. L'invention est égale- ment applicable pour amortir les vibrations dans d'autres sections d'un moteur de turbine à gaz ainsi que dans d'autres types de machines soumises à des vibrations. Aussi, bien que le terme "rebord" soit utilisé fréquemment dans le présent texte pour faciliter la compréhension et parce qu'il corres- pond à une application recommandée de la présente invention, ce terme s'applique à tout prolongement, tel que nervure ou protubérance, sur lequel il est possible de monter la bague d'amortissement. - La figure 1 représente une partie de la moitié supérieu- re de la turbine d'un moteur à turbine à gaz. La turbine com- prend un assemblage de stator 1 et un assemblage de rotor 2. Lorsque le moteur est en fonctionnement, l'assemblage de sta- tor 1 reste fixe cependant que l'assemblage de rotor 2 tourne par rapport à l'assemblage de stator autour de l'axe longitu- dinal du moteur, représenté par l'axe en traits mixtes 3. L'assemblage de stator 1 comprend un support externe annulaire 4; une virole annulaire 5 et un support de virole 6; une virole interne annulaire 7 et un certain nombre d'au- bes 10 réparties circulairement autour de la turbine entre le support externe 4 et la virole interne 7. L'assemblage de rotor 2 comprend plusieurs aubes Il ré- parties circulairement et rattachées à un disque annulaire 12. Partant de plusieurs points sur l'assemblage de rotor 2 se trouvent des organes structuraux tels qu'un arbre annulaire 13 et des joints annulaires 14 qui sont tous en rotation avec l'assemblage de rotor 2. L'arbre annulaire 13 et les joints 14 sont fixés sur l'assemblage de rotor 2 ou l'un à l'autre par des moyens appropriés tels que, par exemple, des boulons et écrous comme en 15, ou par liaison, ou bien ils peuvent être d'une seule pièce comme en 16 o le joint 14 fait partie de l'arbre annulaire 13. Un organe structural tel que le joint 14 peut comporter des dents annulaires 17, chacune d'elles jouant un rôle d'étanchéité par rapport à une surfa- ce d'étanchéité annulaire 20. Chaque joint 14 a pour fonction d'empêcher les fuites de fluide d'un côté à l'autre du joint. Bien que les joints 14 décrits ici soient portés par des or- ganes structuraux en rotation et que les surfaces d'étanchéi- té 20 soient portées par des organes structuraux fixes, il doit être entendu que les joints peuvent, à l'inverse, être portés par les organes structuraux fixes et les surfaces d'é- tanchéité par les organes structuraux en rotation. Il est possible d'utiliser différents types de joints annulaires 14 pour empêcher les fuites de fluide et la pré- sente invention peut être adaptée pour utilisation avec ces différents joints. Cependant, l'un des joints rencontrés le plus souvent et qui sera utilisé comme exemple pour illustrer la présente invention, est le joint labyrinthe. Les joints labyrinthes sont souvent utilisés pour constituer un joint pour fluide entre organes en rotation et organes fixes, com- me entre l'assemblage de rotor 2 et l'assemblage de stator 1. Ainsi que le montre bien la figure 2, un tel joint labyrinthe comprend plusieurs dents annulaires 17 espacées axialement et se prolongeant pour assurer l'étanchéité par rapport à une surface d'étanchéité 20. Celle-ci peut être toute surface soit fixe, soit en rotation à une vitesse différente de celle de l'assemblage de rotor 2 mais, de préférence, fait partie de l'assemblage de stator 1. Ainsi, lorsque l'assemblage de rotor 2 tourne, le joint labyrinthe tourne également et les dents 17 de ce joint restent très près de la surface d'étan- chéité 20 sur laquelle elles glissent ou frottent parfois. Par suite de la rotation de l'assemblage de rotor 2 et aussi d'autres facteurs tels que des vibrations de pression à travers les joints 14, un mouvement de forme ondulatoire, appelé vibration,.peut prendre naissance dans les organes structuraux, notamment dans les joints. Si ces vibrations ne sont pas éliminées, elles peuvent détruire les organes struc- turaux. Différents types de vibrations peuvent se produire dans les organes structuraux telles que, par exemple, des vi- brations de flexion à propagation circonférentielle et des vigrations à propagation axiale. Les organes structuraux, tels le joint 14, sont réalisés généralement en matériau de faible épaisseuriafin d'en réduire le poids et le coût. Par suite de cette réalisation en matériau de faible épaisseur, les organes structuraux sont particulièrement sensibles aux vibrations. En se référant de nouveau à la figure 2, on voit que l'organe structural peut comporter un prolongement en saillie ou "rebord". Ce prolongement peut faire partie intégrante de l'organe ou être solidement fixé sur lui. Le rebord, tel que représenté sur le dessin, est de préférence annulaire et concentrique avec l'organe structural dont il est le prolon- gement. Par exemple, un rebord annulaire 22 peut être le pro- longement du joint labyrinthe 14. Ce rebord annulaire 22 peut servir de renfort anti-vibrations, de puits thermiques, ou jouer tout autre rôle souhaité. La présente invention comprend une bague d'amortissement 23 munie d'un évidement annulaire 24. Cet évidement annulaire est destiné à recevoir le rebord de l'organe structurel -tel que le rebord annulaire 22- et donc lui fait face. Dans la réalisation représentée sur les figures 2 et 3, l'évidement annulaire est orienté radialement vers l'extérieur vu que le rebord 22 fait saillie radialement vers l'intérieur. Cepen- dant, la bague d'amortissement peut aussi être utilisée effi- cacement avec l'évidement orienté radialement vers l'intérieur lorsque le rebord 22 fait saillie radialement vers l'extérieur. En outre, bien que la bague d'amortissement 23 de la présente invention soit décrite comme s'engageant sur un rebord d'or- gane structural en-rotation, elle peut aussi bien être utili- sée pour amortir les vibrations d'un organe structural qui ne soit pas en rotation. La bague d'amortissement 23 peut avoir une section de forme quelconque. Toutefois, l'évidement annulaire qui est défini par la section de la bague d'amortissement doit de pré- férence correspondre à la forme de la section du prolongement ou rebord de l'organe structural qu'il reçoit. Un exemple d'u- ne telle forme est donné dans les figures 2 et 3 o l'on voit que la bague d'amortissement a une section essentiellement en U, définie par une partie de base 23a et des parois latérales 25. De tels évidements en U sont préférables lorsque le re- bord de l'organe structural est de forme essentiellement rec- tangulaire. Comme représenté sur la figure 4, la bague d'amortisse- ment 23 est annulaire ou circulaire. De préférence, la bague d'amortissement 23 est coupée ou fendue comme en 21. La cou- pure permet la dilatation et la contraction diamétrales de la bague d'amortissement. C'est-à-dire que le diamètre de la ba- gue d'amortissement 23 peut être diminué en lui appliquant des forces dirigées radialement vers l'intérieur et qu'il peut être augmenté en lui appliquant des forces dirigées ra- dialement vers l'extérieur. Ceci facilite son montage ou son remplacement. Et, ce qui est plus important, la coupure de la bague d'amortissement 23 permet à la force centrifuge d'aug- menter suffisamment son diamètre pendant la rotation pour la maintenir plus sûrement contre le rebord 22 d'un organe struc- tural en rotation. En outre, la bague fendue possède une ten- sion de ressort propre qui aide à maintenir la bague d'amor- tissement radialement contre le rebord 22, en particulier lorsque l'organe structural n'est pas en rotation. La bague d'amortissement 23 peut être utilisée dans un moteur à turbine à gaz, elle sera de préférence métallique. Un métal particulièrement indiqué pour utilisation dans une turbine à gaz est un super-alliage à base de nickel, disponi- ble dans le commerce sous l'appellation "INCONEL 718", pro- duit par la "Huntington Alloy Products Division" de "l'Inter- national Nickel Company, Inc." Lorsque la bague d'amortissement 23 est disposée radia- lement vers l'intérieur du rebord annulaire 22, comme dans la figure 2, et qu'elle est dimensionnée de sorte que son diamè- tre, dans la position non dilatée, soit légèrement inférieur au diamètre de l'arête intérieure du rebord annulaire 22, la force centrifuge pendant la rotation, et la tension de res- sort pendant la rotation comme au repos, exercent sur la ba- gue d'amortissement 23 des forces orientées radialement vers l'extérieur, suffisantes pour retenir cette bague montée en position sur le rebord annulaire 22, l'arête de ce rebord, orientée vers l'intérieur, étant introduite dans l'évidement annulaire 24. Si la bague d'amortissement 23 était disposée radialement vers l'extérieur d'un rebord d'organe structural, la force centrifuge et la tension de ressort exerceraient en- core une force dirigée radialement vers l'extérieur et solli- citeraient la bague d'amortissement pour qu'elle sorte du re- bord de l'organe structural en rotation. D'autres moyens (non représentés) seraient alors néces- saires pour retenir radialement la bague sur le rebord. En outre, si la bague d'amortissement est prévue pour être mon- tée sur un organe de structure ne tournant pas, il n'y a pas de force centrifuge disponible pour la retenir radialement sur un rebord de l'organe de structure. Dans ce cas, la ten- sion de ressort peut être complétée par d'autres moyens de retenue (non représentés) afin de maintenir la bague d'amor- tissement radialement. De préférence, la force de la tension de ressort dans la bague d'amortissement 23 doit être prévue pour optimaliser les effets de la dissipation de chaleur de glissement, ce qui sera décrit plus loin. Le déplacement axial relatif entre bague d'amortissement 23 et rebord 22, c'est-à-dire le déplacement parallèle à l'a- xe longitudinal 3 du moteur, est réduit dans une certaine me- sure lorsque la bague d'amoetissement 23 possède une section essentiellement en U car les parois latérales 25 de cette ba- gue 23 sont contiguës aux faces latérales du rebord 22 quand les deux pièces sont engagées. Il est évident que plus les pa- rois latérales 25 sont prolongées, plus la réduction du dépla- cement axial est efficace. Cependant, on peut prévoir un moyen, différent des parois latérales 25 ou s'ajoutant à celles-ci, pour réduire le déplacement axial relatif. Par exemple, il est possible, dans certaines configurations de la bague d'amortissement 23 d'obtenir une réduction de poids et de coût et de favoriser le glissement avec une meilleure réduction du déplacement axial, grâce à l'adjonction d'un moyen de limitation supplémentaire du déplacement. Les figu- res 3 et 4 illustrent un tel moyen de limitation supplémen- taire du déplacement axial relatif qui comprend au moins une (et de préférence plusieurs) patte(s) 26 espacées à la péri- phérie de la bague d'amortissement 23 et se prolongeant ra- dialement, contiguës aux côtés du rebord annulaire 22, à par- tir de chaque paroi latérale 25 de la bague d'amortissement 23. Neuf paires de pattes 26 de ce type sont représentées sur la figure 4 mais leur nombre peut varier à la demande. Plu- sieurs pattes 26 espacées l'une de l'autre sont préférables à une couronne continue se prolongeant radialement depuis les parois latérales 25, de la même distance que les pattes 26. Le premier agencement se traduit par un rapprochement plus grand entre axe neutre de la bague d'amortissement 23 et la base 23a de cette bague que le dernier agencement. L'impor- tance de cela sera traitée plus loin. Si on le souhaite, on peut sertir les pattes 26 sur les côtés du rebord 22 de ma- nière à obtenir une plus grande limitation du déplacement axial. Ce sertissage se traduirait aussi par une limitation du déplacement radial entre bague d'amortissement et rebord. De préférence, le degré d'accouplement à friction entre les parois latérales 25 et le rebord 22 et entre les pattes 26 et le rebord 22 doit être prévu pour un glissement optimal, ce qui sera discuté plus loin. Comme indiqué plus haut, le glissement est un facteur important dans l'amortissejnent des vibrations d'un organe structural. Le glissement est le déplacement tangentiel rela- tif entre la bague d'amortissement 23 et le rebord de l'orga- ne structural, tel que le rebord 22. Par suite de la friction entre bague d'amortissement et rebord, le glissement produit de la chaleur ce qui favorise la dissipation d'énergie. Ainsi, on peut dissiper par glissement, une partie au moins de l'é- nergie de vibration de l'organe structural. Ainsi que cela a été dit plus haut, à mesure que la dis- tance entre axes neutres de la bague d'amortissement et de l'organe structural s'accroît, le glissement et, par suite, l'efficacité de l'amortissement s'accroît. Sur la figure 2, l'axe neutre de la bague d'amortissement 23 est représenté par l'axe en traits mixtes 27 et l'axe neutre de l'organe structural (dans le cas présent le joint annulaire 14 y com- pris les dents annulaires 17) est représenté par l'axe en traits mixtes 30. On se reportera maintenant, aux fins de comparaison, à la figure 5 qui montre un agencement type de bague d'amortissement selon l'art antérieur. Pour faciliter la description on a donné les mêmes numéros de référence aux éléments correspondants des figures 2 et 5. La figure 5 repré- sente le joint annulaire 14, les dents annulaires 17 et le re- bord 22 suivant la même disposition que dans la figure 3. Ce- pendant, on y voit aussi un logement de bague annulaire 31 compris entre le rebord annulaire 22 et une nervure annulaire plus petite 32. On a représenté une bague annulaire d'amortis- ?483033 sement 33, de section circulaire dans son logement 31. L'axe neutre de l'organe structural (dans le cas présent le joint annulaire 14 avec ses dents annulaires 17) est de nouveau re- présenté par l'axe en traits mixtes 30. L'axe neutre de la bague d'amortissement selon l'art antérieur 33 est représen- té par l'axe en traits mixtes 34. Si l'on compare la distan- ce entre axes neutres 30 et 34 de l'agencement type de bague d'amortissement selon l'art antérieur, représenté sur la fi- gure 5, avec la distance entre axes neutres 30 et 27 de l'a- gencement de bague d'amortissement selon la présente inven- tion, représenté sur la figure 2, il est évident qu'avec l'a- gencement de bague d'amortissement de la présente invention, on a accru la distance entre axes neutres. Cet accroissement de la distance entre axes neutres a pour résultat d'accroître le glissement et, de ce fait, l'efficacité d'amortissement de la bague d'amortissement 23 est accrue par rapport à celle de l'agencement de bague d'amortissement selon l'art antérieur. R E V E N D I C A T I O N S 1 - Dispositif d'amortissement des vibrations d'un orga- ne structural muni d'un prolongement faisant saillie de cet organe structural, caractérisé en ce-qu'il comprend une bague d'amortissement (23) dotée d'un évidement annulaire (24) des- tiné à recevoir ce prolongement afin de réaliser le montage de la bague d'amortissement sur l'organe structural. 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le prolongement est constitué par un rebord (22). 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bague d'amortissement (23) possède une section es- sentiellement en U. 4 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bague d'amortissement (23} est fendue (21) afin d'en permettre la dilatation et la contraction diamétrales. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bague d'amortissement est métallique. 6 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la bague d'amortissement (23) comprend, en outre, des moyens (26) de réduction du déplacement axial relatif entre la bague d'amortissement et le rebord de l'organe structural. 7 - Moyen d'amortissement selon la revendication 6, ca- ractérisé en ce que les moyens de réduction du déplacement axial relatif comprennent au moins une patte (26) s'étendant radialement dans une position contiguë au rebord de l'organe structural (22) profilé à partir de la bague d'amortissement (23). 8 - Dispositif d'amortissement des vibrations d'un orga- ne structural présentant un rebord (22) caractérisé en ce qu'il comprend une bague d'amortissement métallique fendue (23) afin d'en permettre la dilatation et la contraction dia- métrales, munie d'un évidement annulaire (24) destiné à rece- voir le rebord pour effectuer le montage de la bague d'amor- tissement sur l'organe structural, et dotée de plusieurs pat- tes (26) s'étendant radialement depuis la bague dans une po- sition contiguë au rebord en vue de réduire le déplacement axial relatif entre bague d'amortissement et rebord. 9 - Dispositif d'amortissement selon la revendication 8, caractérisé en ce que la bague d'amortissement a une section essentiellement en U. - Dispositif d'amortissement des vibrations d'un or- gane structural en rotation présentant un rebord (22) se pro- longeant radialement vers l'intérieur, caractérisé en ce qu'il comprend une bague d'amortissement (23) fendue afin d'en permettre la dilatation et la contraction diamétrales, munie d'un évidement annulaire (24) destiné à recevoir le rebord et, par ce moyen, effectuer le montage de la bague d'amortissement sur l'organe structural en rotation, la bague d'amortissement ayant une section en U définie par deux pa- rois latérales (25) et une base (25a), et étant munie d'un certain nombre de pattes (26) s'étendant radialement à partir de chacune des parois latérales dans une position contiguë au rebord afin de réduire le déplacement axial relatif entre ba- gue et rebord, la bague d'amortissement étant disposée radia- lement vers l'intérieur du rebord et dimensionnée afin de per- mettre à la force centrifuge d'exercer sur elle un effort ra- dial de manière à la retenir sur le rebord. 11 - Organe structural, muni d'un prolongement (22) et doté d'un dispositif d'amortissement des vibrations, caracté- risé en ce que ce dispositif est constitué par la combinaison du prolongement et d'une bague d'amortissement (23) munie d'un évidement annulaire (24) destiné à recevoir le prolonge- ment et, par ce moyen, être montée sur lui. 12 - Organe structural, selon la revendication 11, carac- térisé en ce que la bague d'amortissement (23) est fendue et comporte un certain nombre de pattes (26) s'étendant radiale- ment depuis la bague dans une position contiguë au prolonge- ment (22) en vue de réduire le déplacement axial relatif en- tre la bague d'amortissement et le prolongement.