Brevet FR2501284A1 — publié le 19820910

La présente invention concerne des machines rotatives à flux axial et plus précisément l'utilisation d'un dispo- sitif de verrouillage pour retenir la pale d'un rotor sur un disque de rotor. Les principes ont été développés dans l'industrie des moteurs à turbine à gaz pour verrouiller des pales de compresseur et de turbine aux rotors de tels moteurs, mais ont des possibilités d'applicationsplus larges à des assemblages de structure similaire. Dans le domaine des moteurs à turbine à gaz, les assem- blages de rotor sont typiquement formés de disques de rotor axialement adjacents à partir desquels des pluralités de pales s'étendent radialement en travers du parcours des gaz du milieu de travail passant au travers du moteur. Un exemple d'un tel assemblage d'étages de rotor à pales est représenté dans le brevet US numéro 3 807 898. Dans cet assemblage, une pluralité de plaques d'étanchéité s'étendent à partir d'un disque de rotor vers chaque plate-forme de pale de rotor pour verrouiller les pales en place pour empêcher leur mouvement dans la direction vers l'avant et vers l'ar- rière et pour bloquer les fuites entre les plates-formes et le disque.Un autre dispositif de verrouillage est représenté dansle brevet US numéro 2 713 991. Dans cette construction, le dispositif de verrouillage est un cylindre disposé circon- férentiellement. La pale de rotor comporte une lèvre en for- me de L qui engage le cylindre de sorte que le cylindre pré- sente deux plans de cisaillement dans le fil pour résister au mouvement de la pale dans la direction généralement axiâe. Ces plans de cisaillement sont orientés transversalement par rapport à l'axe longitudinal du cylindre. Malgré la disponibilité des dispositifs de verrouillage ci-dessus, les scientifiques et les ingénieurs continuent à rechercher des dispositifs de verrouillage améliorés qui sont légers et qui bloquent la fuite des gaz du milieu de travail entre la pale et le disque du rotor. Selon la présente invention, une cheville disposée dans une direction latérale au travers de l'extrémité d'emplanture de la pale de rotor entre la base de l'extrémité d'emplanture de la pale et un disque de support engage une ramiures= labase -2- de l'extrémité d'emplanture et une rainure correspondante à la périphérie du disque pour piéger la pale sur le disque et pour bloquer la fuite des gaz du milieu de tra- vail au travers du disque entre la base de l'extrémité de l'emplanture de la pale et le disque. Une caractéristique principale de la présente invention est un disque de rotor adapté de fentes de fixation de pales pour recevoir les pales du rotor. Le disque du îO rotor comprend une rainure s'étendant dans une direction latérale le long de la fente de fixation de la pale. La rainure est orientée dans une direction généralement vers l'extérieur. La pale du rotor a une base orientée dans une direction généralement vers l'intérieur. La pale du rotor comporte une rainure s'étendant dans une direction latérale au travers de la base de la pale en alignement avec la rainure dans le disque et faisant face à celle-ci. Une autre caractéristique est une cheville de verrouillage engageant le disque du rotor et la pale du rotor à l'endroit de la rainure du disque et de la rainure de la pale. Dans un mode de réalisation une projection radiale sur la pale du rotor relie la rainure à la base de la pale du rotor. Un avantage principal de la présente invention est la petite dimension du dispositif de verrouillage de la pale qui est permise pour permettre de résister au mouve- ment vers l'avant et vers l'arrière de la pale du rotor le long d'une section de cisaillement s'étendant latéralement au travers du verrou par comparaison avec les systèmes de verrouillage de pales résistant au mouvement de la pale le long des plans de cisaillement s'étendant dans une direction transversale. Un autre avantage est le rendement du moteur qui résulte du blocage des fuites des gaz du milieu de travail au travers du disque de rotor entre l'extrémité d'emplanture de la pale du rotor et le disque avec chaque cheville de verrouillage. Un autre avantage est la faible valeur des contraintes exercées sur l'extrémité d'emplanture de la pale quiestattrr buable à rlengagement latéra de 1' extrémité Jemplanture da pie à l'interface pale/disque. La facilité de démontrest favoisée -3- en permettant l'enlèvement d'une seule pale de rotor de la rainure du disque en retirant une seule cheville de verrouil- lage. Pour que l'invention puisse être mieux comprise référence est faite aux figures suivantes o: la figure 1 est une vue en coupe d'une partie d'une section de compresseur d'un moteur à turbine à gaz utilisant les principes de la présente invention1 la figure 2 est une vue en coupe le long de la ligne 2-2 de la figure 1; la figure 3 est une une vue en perspectivepartielle- ment éclatée d'un assemblage d'étage de rotor de la figure 1; et la figure 4 est une vue en perspective partielle de l'assemblage de l'étage de rotor de la figure 3 à l'état assemblé. Les principes de la présente invention sont illustrés dans la section de compresseur d'un moteur à turbine à gaz. La figure 1 représente une partie d'un compresseur 10. Un parcours 12 pour les gaz du milieu de travail s'étend axialement au travers du compresseur. Le compresseur comprend un assemblage de stator 14 et un assemblage de rotor 16. L'assemblage de rotor a un axe de rotation Ar et comprend un étage de rotor en amont 18 et un étage de rotor en aval 20. L'étage de rotor en aval est écarté axialerment de l'étage de rotor en amont en laissant entre ces deux étages à la fois une partie axiale du parcours pour le milieu de travail et une cavité interne par rapport au parc>)urs. L'assemblage de stator comprend une rangée d'aubes 22 s'étendant au travers du parcours pour diviser la pa'rtie axiale du parcours en une région 24 en amont ayant une première pression et une région 26 en aval ayant une pression plus élevée que la première pression. Une couronne de renforcement des aubes 30 vient contre le profil d'extrémité de chaque aube et s'étend circonférentiel- lement pour diviser la cavité entre les étages du rotor en une cavité en amont 32 et une cavité en aval 34. La cavité en amont est en communication avec la cavité en aval. L'étage de rotor en aval 20 comprend un disque 36 250 128 4 -4- ayant une périphérie telle que la ceinture 38 s'étendant circonférentiellement autour du disque. L'assemblage de rotor comprend une pluralité de pales de rotor telle la pale de rotor unique 40 s'étendant vers l'extérieur au travers du parcours dumilieu de travail. La ceinture 38 est adaptée pour recevoir les pales de rotor au moyen d'une pluralité de fentes de fixation des pales telles que la fente de fixation 42 unique de pale représentée. Les fentes s'étendent dans une direction généralement axiale. La péri- phérie du disque de rotor comprend une rainure 44 s'étendant dans une direction généralement circonférentielle (latérale) le long de chaque fente de fixation et orientée dans une direction généralement vers l'extérieur. Chaque pale de rotor comprend une extrémité d'emplanture 46 qui est adaptée pour se conformer à une fente de fixation de pale corres- pondante. La base 47 à l'extrémité d'emplanture comprend une rainure 48. La rainure dans l'extrémité d'emplanture est orientée pour faire face à la rainure dans le disque lorsque la pale est installée. Une projection radiale 50 sur l'extrémité d'emplanture s'étend à la fois axialement et radialement pour lier la rainure à la pale et est adjacente au gaz du milieu de travail dans la cavité 34 en aval à hau- te pression. Une cheville de verrouillage 52 s'étendant à la fois dans la rainure du disque et dans une rainure correspondante de pale engage le disque et la pale. La figure 2 est une vue en coupe agrandie prise le long de la ligne 2-2 de la figure 1 et montre quatre chevilles de verrouillage 52 en position assemblée et une cheville de verrouillage 52a en train d'être assemblée. Cha- que cheville a un axe longitudinal L. La cheville s'étend latéralement dans la rainure circonférentielle 44 du disque 36. Chaque cheville comprend une première partie terminale53, une partie centrale 54 et une seconde partie terminale amin- cie 56. La première partie terminale a un profil en L.La partie centrale comprend un cylindre circulaire droit. La partie terminale amincie comprend un cylindre circulaire drcd tronqué ayant une épaisseur en section transversale qui dimi- nue de façon constante vers la seconde extrémité du verrou. La partie terminale amincie est pliable sans se rompre dans - 5 une direction perpendiculaire à l'axe longitudinal L de la section centrale. La figure 3 est une vue en perspective partiellement éclatée d'un disque de rotor 36,dLune pale de rotor 40 et d'une cheville de verrouillage 52. La rainure 44 du disque s'étend dans une direction latérale le long de chaque fente 42 de fixation de la pale. Les traits interrompus montrent le rapport entre la cheville de verrouillage avec la rainure 44 du disque et la fente de fixation 42 de la pale du disque, la pale du rotor étant enlevê( dans un but de clarté. Ainsi qu'on le comprendra, la pale 40 du rotor est assemblée au disque avant l'insertion de la cheville de verrouillage. La figure 4 est une vue en perspective partielle du disque de rotor 36, de la pale de rotor 40 et des chevilles de verrouillage 52 dans leur position assemblée. Pendant l'assemblage, chaque pale de rotor 40 et une cheville de verrouillage 52 correspondante sont installés dans la ceinture 38 du disque 36. Comme on peut le voir dans la figure 3, une pale de rotor est alignée pour être insérée dans une fente de fixation 42 correspondante de pale. Après l'insertion de la pale, la cheville de verrouillage 52 peut glisser en engagement avec la pale de rotor et le disque pour piéger les pales sur le disque. Comme on peut le voir dans la figure 2, cet engagement est réalisé en faisant glisser la cheville de verrouillage 52a dans une rainure 44 du disque et la rainure 48 de la pale de rotor. Jusqu'à ce que la cheville de verrouillage soit bloquée contr'un mouvement latéral, cette cheville de verrouillage peut glisser latéralement le long de la rainure 44 dans le disque et la rainure 48 dans la pale pour aider à l'ins- tallation des chevilles de verrouillage adjacentes lorsque des pales supplémentaires sont installées dans le disque. Comme on peut le voir dans la figure 2 et dans la figure 4, la cheville de verrouillage est bloquée contr'un mouve- ment latéral en pliant l'extrémité amincie de la cheville dans la direction radiale, de préférence vers l'extérieur. En outre, les chevilles peuvent être fixées en place par soudage ou'i>uasacJe. Pendant le fonctionnement du moteur à turbine à gaz, 6- les gaz du milieu de travail passent au travers de la sec- tion de compression 10 le long du parcours 12. Lorsque les gaz passent au travers du compresseur le long du parcours, ces gaz tendent à recirculer depuis la cavité 34 à haute pression au travers des joints en lame de la bande de renforcement 30 des aubes vers la cavité à basse pression 32. Le flux en recirculation diminue le rendement de la section de compression. Les projections radiales - 50 à/Ibase de chaque pale de rotor provoquent un pompage des gaz du milieu de travail dans une direction opposée à la circulation du flux en recirculation, réduisant le flux en recirculation et diminuant la perte du rendement du compresseur. Lorsque les gaz sont pompés axialement le long du parcours 12 au travers de l'étage 20 du rotor du compres- seur, les gaz exercent une force dans la direction en amont (vers l'avant) pendant le fonctionnement normal ou dans la direction en aval (vers l'arrière) ainsi que cela peut se produire pendant Le pompage. Chaque cheville de verrouillage 52 engage à la fois la pale et le disque de sorte que le mouvement de la pale à la fois dans la direc- tion vers l'avant et dans la direction vers l'arrière est empéché par la force de cisaillement de la cheville agissant le long d'une section de cisaillement orientée longitudinalement vers un plan longitudinal ou une section latérale dans la cheville. La cheville 52 présen- te une aire de cisaillement plus grande aux forces de cisaillement que les chevilles qui résistent au mouvement versl'avant et l'arrière de la pale avec une force de cisaillementdéveloppée dans la cheville le long d'un plan perpendiculaire à la section latérale. Une cheville 52 à diamètre plus petit peut être utilis& pour retenir la pale contre une force donnée par comparaison à ces chevilles a cisaillement transversal réduisant ainsi le poids de l'assemblage et les pertes aérodynamiques associées au dispositif pour retenir la cheville. Plusieurs avantages résultent de la disposition spéci- fique de la cheville de verrouillage 52 décrite par rapport au disque et à la pale. La cheville engage/i emplanture de 2 50 128 4 -7- la pale et le disque à la base de la pale. Les contraintes sur la pale sont faibles dans cette région par comparaison aux contraintes dans la pale qui résultent d'un engagement de la pale radialement vers l'extérieur en ce point ou la largeur circonférentielle de la pale est plus petite que la région de la base. En outre, comme on peut le voir dans la figure 2, la cheville agit pour bloquer la fuite des gaz du milieu de travail au travers de la fente de fixation de la pale le long du disque. En plus, le design permet l'accès à la rainure du disque pendant la fabrication afin de permettre le finissage des bords du disque pour réduire les concentrations de contraintesau bord de la fente de fixation de la pale. Pendant le démon- tage, la cheville de verrouillage est enlevée en dépliant l'extrémité amincie de la cheville dans la direction radiale et en glissant la cheville latéralement hors des rainures 44, 48. Ceci permet de démonter la pale unique maintenue en place par la cheville. Ainsi qu'on le comprendra, la forme en section trans- versale de la cheville est circulaire comme le sont les rainures ce qui réduit les concentrations de contraintes dans le disque et la pale. D'autres formes en section transversale peuvent être utilisées et sont considérées comme étant dans les limites de la présente invention. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'hiomme de l'art aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement a titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. -8- Revendications 1. Assemblage de rotor du tyDe comprenant un disque de rotor ayant une pluralité de fentes de fixation de sales s'étendant dans une direction généralement axiale le long du disque et une pluralité correspondante de pales de rotor, une pale s'étendant depuis chaque fente de fixation, carac- térisée par le perfectionnement consistant en: un disque de rotor (36) comprenant une première rainure (44) s'étendant dans une direction latérale le long de chaque fente de fixation (42) et orientée dans une direc- tion généralement vers l'extérieur; une pale (40) de rotor comprenant une seconde rainure (48) s'étendant dans une direction latérale le long de la base de la pale (40) en alignement avec cette rainure (44) dans le disque (36) et faisant face à celle-ci; une cheville de verrouillage (52) engageant le disque de rotor (36) et la pale de rotor (40) aux première et secon- de rainures (44,48) respectivement pour piéger la Pale de rotor (40) sur le disque (36). 2. Assemblage de rotor selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que la base de chaque pale de rotor (40) comprend une projection radiale (50) qui s'étend à la fois radialement et axialement pour relier la rainure (48) à la pale (40) et qui est adjacente aux gaz du milieu de travail pour pomper les gaz du milieu de travail adjacents à la structure de rotor. 3. Assemblage de rotor selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la cheville de verrouillage (52) com- porte une première partie terminale (53), une partie cen- trale (54) et une seconde partie terminale amincie (56), la partie terminale (53) comprenant un cylindre déformé en un profil en forme de L, la partie centrale (54) comprenant un cylindre circulaire droit et la partie terminale amincie (56) comprenant un cylindre circulaire droit tronqué ayant une épaisseur en section transversale qui diminue constam- ment depuisla seconde extrémité du verrou, la partie ter- minale amincie étant pliable sans se rompre dans une direc- tion perpendiculaire à l'axe longitudinal L de la partie centrale.