Brevet FR2545873A1 — publié le 19841116

La présente invention concerne les rotors-de compresseur ou de turbine et, plus particulièrement, un moyen permettant d'équilibrer ces rotors. Un équilibrage précis des rotors des turbines à vapeur et à gaz de grande puissance est un facteur important pour obtenir une marche régulière On procède à cet équilibrage soit en ajoutant de la matière à cer- tains endroits du rotor, soit en en enlevant. Dans une technique classique, on ajoute une masse d'équilibrage dans des rainures d'équilibrage pratiquées dans le côté de la roue Une telle adjonc- tion est fâcheuse dans les machines puissantes à cause de l'effet néfaste qu'elle risque d'avoir lors de la marche à faible vitesse aux valeurs critiques En outre, la présence de rainures d'équilibrage, crée des concen- trations supplémentaires de contraintes qui s'avèrent d'autant plus indésirables que l'équipement se rappro- che d'une conception plus avancée de la technique o il est soumis à davantage de contraintes. Dans une autre technique classique, on pro- cède à un enlèvement sélectif de matière en perçant des trous d'équilibrage entre les trous de boulon dans les turbines des compresseurs et des rotors En dehors des concentrations de contraintes qu'ils créent, de tels trous d'équilibrage sont susceptibles de perturber les conditions régnant en surface, en particulier dans les faces d'assujettissement, là o celles-ci doivent être appariées avec une précision de l'ordre de 13 microns ( 0,0005 inches). Par conséquent, la présente invention a pour objet un dispositif d'équilibrage pour disque de compresseur et de turbine qui permette d'éviter les inconvénients des systèmes de l'art antérieur. La présente invention a plus particulièrement pour objet un dispositif d'équilibrage des disques de compresseur et de turbine qui fait appel à des rainures pratiquées dans des cales classiques afin de recevoir des masses d'équilibrage Les masses d'équilibrage sont conçues de manière à permettre un réglage fin de l'équi- libre par perçage de trous d'équilibrage. Selon un mode de réalisation de la présente invention, on prévoit un dispositif d'équilibrage pour un composant rotatif du type comportant une roue et une série d'ailettes s'étendant à la partie de la roue, chaque ailette comprenant une queue d'aronde pouvant se monter dans une rainure pratiquée dans le périmètre de la roue pour supporter l'ailette; le dispositif comporte la rainure ayant une longueur supérieure à celle de la queue d'aronde, au moins une cale pouvant se monter dans la rainure en aboutement avec la queue d'aronde afin de maintenir celle-ci dans une position longitudinale prédéterminée dans la rainure, une fente d'équilibrage dans la cale, cette fente étant disposée de manière que la cale conserve une résistance mécanique suffisante pour supporter les forces d'iner- tie auxquelles elle sera soumise, une masse d'équili- brage pouvant se monter dans la fente d'équilibrage et un moyen permettant de maintenir la masse d'équili- brage dans la fente. Selon l'une des caractéristiques de la pré- sente invention, on prévoit un composant tournant comprenant une roue rotative; une série de rainures pour queue d'aronde pratiquées dans le périmètre de la roue; une série d'ailettes, chaque ailette compor- tant une queue d'aronde pouvant se monter dans l'une des rainures afin de se trouver ainsi supporté, la cote de longueur de la rainure étant supérieure à la longueur de la queue d'aronde; au moins une cale pouvant se monter dans la rainure en aboutement avec la queue d'aronde afin de maintenir celle-ci dans une position prédéterminée dans la rainure; une fente d'équilibrage disposée axialement dans une surface de la cale dirigée radialement vers l'intérieur, la fente d'équilibrage ayant une section droite en forme de U, l'ouverture du U étant dirigée radialement vers l'in- térieur; une masse d'équilibrage cylindrique pouvant se monter dans la fente d'équilibrage, le rayon de la masse d'équilibrage étant sensiblement égal à celui de l'extrémité fermée du U; et un moyen permettant de maintenir la masse d'équilibrage dans la fente d'équi- librage. Selon une autre caractéristique de la pré- sente invention, on prévoit un composant tournant comprenant une roue rotative; une série de rainures pratiquées dans le périmètre de la roue; une série d'ailettes, chaque ailette comportant une queue d'aronde pouvant se monter dans l'une des rainures de manière à se trouver ainsi supportée, la cote de lon- gueur de la rainure étant supérieure à la longueur de la queue d'aronde; au moins une cale pouvant se monter dans la rainure en aboutement avec la queue d'aronde afin de maintenir celle-ci dans une position prédéter- minée dans la rainure; une fente d'équilibrage dispo- sée dans la cale, un trou percé radialement à partir de la surface dirigée radialement vers l'extérieur de la cale communiquant avec la fente d'équilibrage, et la masse d'équilibrage pouvant se monter dans le trou radial de manière à être maintenue dans la fente d'équilibrage. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, une vue en perspective d'une partie d'un disque de turbine ou de compresseur employant le dispositif d'équilibrage selon un mode de réalisation de la présente invention; figure 2, une vue détaillée de côté d'une partie de deux étages contigus d'une turbine représen- tant un mode de réalisation de la présente invention qui permet l'insertion radiale de masses d'équilibrage après montage de ces étages. Bien que la présente invention puisse trouver une application générale tant pour les disques de tur- bine que pour les disques de compresseur, en particu- lier de turbines à gaz ou à vapeur, le mode de réali- sation suivant concerne un étage d'une turbine à gaz ou à vapeur afin de rendre la description plus concrète. Un étage de turbine comporte normalement un disque, ou roue, fixé à un arbre axial ou d'une seule pièce avec celui-ci On usine dans la surface de la roue des parties femelles comportant des rainures, dans lesquelles on monte les parties mâles en forme de queue d'aronde des ailettes de la turbine Dans le but de placer chaque ailette avec précision dans sa posi- tion finale et l'y maintenir, la pratique courante consiste à faire appel à une cale amont ou à une cale aval, ou aux deux, qu'on monte dans la rainure femelle en butée contre les extrémités de la queue d'aronde de l'ailette Les cales utilisées sont généralement en matériau massif. En liaison maintenant avec la figure 1, un étage de turbine partiellement assemblé, représenté dans ses grandes lignes par la référence 10, comprend une roue 12 dans laquelle on a usiné une série de rainures en queue d'aronde 14 parallèles les unes aux autres Chaque rainure 14 reçoit une queue d'aronde 16 d'ailette de turbine 18 de manière à supporter une partie aérodynamique 20 de l'ailette dans un courant gazeux animé d'une grande vitesse dont l'étage de turbine 10 extrait l'énergie rotatoire. On remarquera que l'ailette de turbine 18 est située entre une extrémité amont 22 et une extré- mité aval 24 de la roue de turbine 12 Dans le but de maintenir l'ailette 18 dans sa position axiale appro- priée, une cale amont 26 et une cale aval 28 sont montées dans la rainure 14 La cale amont 26 est fixée en place en utilisant un moyen classique, par exemple par positionnement avec un poinçon La cale aval 28 est fixée en position d'une manière similaire de sorte que les extrémités amont et aval de la queue d'aronde 16 se trouvent fermement retenues par les cales 26 et 28. Une fente d'équilibrage 32 est pratiquée dans la partie radialement intérieure de la cale amont 26 ainsi que dans la cale aval 28 (non représentée en figure 1) Une masse d'équilibrage 34 peut être sélec- tivement insérée dans la fente 32 et y être fixée en employant n'importe quel moyen commode, par exemple avec un poinçon 36 On peut procéder à un équilibrage fin en perçant un trou 38 dans la masse d'équilibrage 34 Dans la figure, on a représenté le trou 38 dans le sens axial de la masse d'équilibrage, mais on ne doit pas considérer cette position comme limitative car on peut employer d'autres procédés pour réduire le volume de la masse d'équilibrage 34 Par exemple, on peut meuler l'extrémité ou une partie intermédiaire de la masse 34 De plus, on peut percer dans la masse d'équilibrage un ou plusieurs trous dans le sens radial (non représentés) En outre, la masse d'équili- brage peut être assymétrique par rapport à son axe de sorte que sa rotation autour de cet axe pourra provo- quer un léger changement de l'équilibre global de l'étage de turbine 10 On notera qu'on ne peut atten- dre de cette technique d'équilibrage par rotation d'une masse d'équilibrage qu'un effet très faible sur l'équilibre et qu'on ne peut éventuellement l'employer que pour un équilibrage très fin. Dans les cales 26 et 28 de la figure 1, la fente d'équilibrage 32 est un trou de souris ou a la forme d'un U, l'ouverture du U étant dirigée vers l'intérieur dans le sens radial L'étendue radiale vers l'extérieur de la fente doit être suffisante pour que le matériau restant des cales confère aux pièces une rigidité et une résistance mécanique leur permettant de supporter la force centrifuge à laquelle elles sont soumises pendant la rotation à grande vitesse de l'étage de turbine 10 C'est pour cette raison qu'on place la partie ouverte de la fente d'équilibrage 32 aussi loin que possible vers l'inté- rieur dans le sens radial De plus, on remarquera que la masse d'équilibrage 34 est cylindrique et se trouve en contact mécanique étroit avec la fente 32 sur seulement une partie semi-cylidnrique de sa surface. Il est possible d'utiliser d'autres formes pour la fente 32 et la masse 34, comme on le décrira ci- après, mais l'utilisation d'une simple tige cylindri- que pour réaliser la masse d'équilibrage 34 et d'une fente 32 en forme de U s'usinant facilement permet de réduire les coûts de fabrication. Pour augmenter la résistance mécanique des cales 26 et 28, on peut donner au contour extérieur de la fente 32 non pas une forme semi-cylindrique mais ellipsoldale, avec un changement correspondant de la forme de la masse d'équilibrage 34 Comme un tel mode de réalisation semblera évident à l'homme de l'art, compte tenu de la description venant d'être faite, il ne fait l'objet ni d'une illustration ni d'une description plus complète En outre, on peut employer d'autres formes pour le trou et la masse afin de faciliter la fabrication ou pour d'autres raisons Par exemple, pour faciliter le montage, on peut opter pour un trou et une masse carrés. On remarquera que toutes les fentes d'équili- brage 32 ne recevront pas des masses d'équilibrage 34 lorsque l'étage de turbine sera assemblé et équilibré. On peut pratiquer une fente dans toutes les cales 26 et 28, mais ne ronter des masses 34 que dans quelques- unes d'entre elles, par exemple, au nombre de quatre. De plus, il se peut qu'il ne soit pas nécessaire de percer un trou 38 dans toutes les masses d'équilibrage. C'est-à-dire que si on dispose deux paires de masse à certains endroits choisis autour du périmètre de la roue 12 de la turbine, il est possible que pour obte- nir l'équilibrage final il ne faille des trous 38 que dans un, deux ou trois exemplaires d'un nombre plus élevé de masses 34 pour obtenir l'équilibrage final. Comme cela est bien connu, il est courant qu'un même arbre supporte deux ou plusieurs étages de turbine ou de compresseur de manière à extraire davan- tage d'énergie du fluide de travail Dans le cas des compresseurs, le nombre d'étages successifs peut s'élever à dix, douze, ou plus Le montage de ces étages est tel qu'ils sont serrés les uns contre les autres dans le sens axial et qu'on n'a donc plus accès aux fentes d'équilibrage 32 et aux masses d'équili- brage 34 Il est par conséquent nécessaire dans le mode de réalisation venant d'être décrit d'exécuter l'équilibrage de chaque étage de turbine 10 avant de procéder à l'assemblage et au montage finals. Dans le mode de réalisation de la présente invention représenté en figure 2, on peut effectuer l'équilibrage final bien que les opérations d'assem- blage aient rendu inaccessibles les extrémités des cales amont et aval Dans ce mode de réalisation, une cale amont 40 bute contre une extrémité de la queue d'aronde 16 de l'ailette de turbine 18, qui se trouve ainsi retenue Une fente d'équilibrage 42, ayant une forme identique ou différente de celle de la fente 32 du mode de réalisation précédent, est pratiquée dans une partie de la cale 40 située vers l'intérieur dans le sens radial Une cale aval 44 de l'étage de turbine ' contigu ne comporte pas de fente d'équilibrage. Ainsi, la fente 42 se termine à chaque extrémité par suite du manque de fentes correspondantes dans les pièces contiguës. Un trou radial 46, s'étendant depuis la sur- face radialement extérieure 48 de la cale amont 40, communique avec la fente 42 Un élément de fermeture, par exemple une vis de pression 50, est monté dans le trou 46 De préférence, la vis 50 comprend un rebord 52 dirigé radialement vers l'extérieur qui est apparié à un épaulement 54 d'un alésage usiné dans le trou radial 46 La surface extérieure 56 de la vis 50 est à fleur de la surface 48 de la cale lorsque la vis est totalement assise dans le trou 46. On peut insérer dans la fente d'équilibrage 42, des masses d'équilibrage 58, lesquelles peuvent être, par exemple, des billes sphériques en acier, en enlevant la vis de pression 50, puis les maintenir en place en remettant la vis 50 Comme on l'a déjà fait remarquer, on peut utiliser plusieurs masses d'équili- brage 58 pour obtenir un équilibrage correct. On peut choisir le matériau constituant les masses 58 de façon à pouvoir ajuster l'équilibrage après assemblage non seulement par adjonction de masses d'équilibrage supplémentaires, mais encore par enlèvement de masses selon nécessité Pour faciliter l'enlèvement des masses d'équilibrage 58, on peut les réaliser en matériau magnétique et employer une sonde magnétique pour les extraire On peut également enle- ver les masses en faisant tourner l'étage de turbine 10 jusqu'à ce qu'un trou radial soit dirigé vers le bas et non vers le haut comme cela est le cas de la figure. En dehors des billes en acier, les masses d'équilibrage 58 peuvent être d'un autre type Par exemple, on peut déverser dans le trou 46, o il se solidifiera, un matériau à l'état fondu ayant les caractéristiques appropriées On peut également utili- ser un matériau sous forme granulaire De plus, si on emploie des masses d'équilibrage 58 de mêmes dimensions, on pourra procéder à un équilibrage plus fin en faisant appel à une gamme de matériaux divers donnant un poids différent à chaque masse 58. Bien qu'on ait représenté les fentes d'équi- librage 32 et 42 s'étendant sur toute la longueur des cales 26 et 40, on ne doit pas considérer cette disposi- tion comme limitative; c'est-à-dire que, s'agissant plus particulièrement du mode de réalisation de la figure 2, un voile (non représenté) peut être prévu sur une extrémité ou sur les deux extrémités de la cale 40 qui aura pour rôle de maintenir des masses d'équili- brage 58 insérées radialement sans que leur retenue dépende entièrement de leur aboutement contre des éléments contigus de queue d'aronde ne comportant pas de fentes. Dans certains étages de turbine ou de compres- seur, un positionnement correct des ailettes peut néces- siter l'élimination de l'une ou de l'autre des cales amont ou aval C'està-dire que les extrémités de la queue d'aronde 16 (figure 1) peuvent être à fleur de l'extrémité amont 22 ou de l'extrémité aval 24 de la roue de turbine 12 et qu'une seule cale peut être mon- tée à l'extrémité opposée de la queue d'aronde On peut alors prévoir une fente d'équilibrage dans la cale unique comme dans les cas précédents. 1 O REVENDICATIONS 1 Dispositif d'équilibrage d'un composant tournant du type comportant une roue ( 12) et une série d'ailettes ( 18) s'étendant à partir de la roue, chaque ailette comprenant une queue d'aronde ( 16) pouvant se monter dans une rainure en queue d'aronde ( 14) prati- quée dans le périmètre de la roue pour y être supporté, caractérisé en ce que: la rainure ( 14) pour queue d'aronde ( 16) a une longueur supérieure à celle de la queue d'aronde; au moins une cale ( 26,28,40) peut se monter dans la rainure ( 14) en aboutement avec la queue d'aronde afin de maintenir celle-ci dans une position longitudinale prédéterminée dans la rainure; une fente d'équilibrage ( 32,42) est prati- quée dans la cale ( 26,28,40), la fente étant disposée de manière à ce que la cale conserve une résistance mécanique suffisante pour sup- porter les forces d'inertie auxquelles elle est soumise; une masse d'équilibrage ( 34,58) peut être montée dans la fente d'équilibrage ( 32, 42); et un moyen permet de maintenir la masse d'équilibrage dans la fente d'équilibrage. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fente d'équilibrage ( 32) est disposée axialement et a une section droite en forme de U, l'ouverture du U étant dirigée vers l'intérieur dans le sens radial. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la masse d'équilibrage ( 34) a une forme cylindrique, le rayon du cylindre étant sensiblement identique à celui de la partie incurvée de la section droite en forme de U. 4 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de maintien est une fixation en place à l'aide d'un poinçon aux endroits contigus de la cale ( 26,28) et de la roue ( 12). Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fente d'équilibrage ( 32) est disposée axialement dans la cale ( 26,28) et traverse les extrémités opposées de cette cale. 6 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de maintien est un aboutement d'une extrémité de la fente d'équilibrage ( 32) et d'une surface. 7 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de maintien est une vis de pression ( 50). 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la vis de pression est montée radialement dans la cale ( 40). 9 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un trou radial ( 46) percé à partir de la surface ( 48), diri- gée vers l'extérieur dans le sens radial de la cale, qui communique avec la fente d'équilibrage -( 42), la masse d'équilibrage ( 58) pouvant se monter dans la fente d'équilibrage par l'intermédiaire du trou radial, le moyen de maintien étant une vis de pression ( 50) permettant de fermer le trou, d'o il résulte que la masse ( 58) se trouve maintenue dans la fente d'équi- librage. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la masse d'équilibrage ( 58) comprend une série de masses pouvant se monter dans la fente d'équilibrage ( 42), un nombre variable de masses pouvant être employé pour des conditions d'équilibrage différentes. 11 Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que les masses sont des billes. 12 Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la masse d'équilibrage est un matériau granulaire. 13 Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la masse d'équilibrage est cons- tituée d'un matériau fusible se solidifiant sur place dans la fente d'équilibrage ( 42). 14 Composant tournant, caractérisé en ce qu'il comprend: une roue rotative ( 12); une série de rainures ( 14) pour queue d'aronde pratiquées dans le périmètre de la roue; une série d'ailettes ( 18), chaque ailette comportant une queue d'aronde ( 16) pouvant se monter dans l'une des rainures ( 14) pour y être supportée, la longueur de la rainure étant supériere à celle de la queue d'aronde; au moins une cale ( 26,28) pouvant se monter dans la rainure ( 14) en aboutement avec la queue d'aronde ( 16) afin de maintenir celle-ci dans une position prédéterminée dans la rainure; une fente d'équilibrage ( 32) pratiquée axialement dans la surface radialement intérieure de la cale ( 26,28), la fente ayant une section droite en forme de U, avec l'ouverture du U dirigée vers l'inté- rieur dans le sens radial; une masse d'équilibrage cylindrique-( 34) pouvant se monter dans la fente d'équilibrage ( 32), le rayon de la masse étant sensiblement égal à celui de l'extrémité fermée de la section en forme de U; et un moyen pour maintenir la masse ( 34) dans la fente d'équilibrage. Composant tournant selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen permettant d'ajuster le poids de la masse d'équilibrage ( 34). 16 Composant tournant selon la revendication , caractérisé en ce que le moyen permettant d'ajus- ter la masse est un moyen de perçage d'un trou d'équi- librage ( 38) dans la masse ( 34). 17 Composant tournant, caractérisé en ce qu'il comprend: une roue rotative ( 12); une série de rainures ( 14) pour queue d'aronde pratiquées dans le périmètre de la roue; une série d'ailettes ( 18), chaque ailette comportant une queue d'aronde ( 16) pouvant se monter dans l'une des rainures pour y être supportée, la longueur de la rainure ( 14) étant supérieure à celle de la queue d'aronde; au moins une cale ( 40) pouvant se monter dans la rainure pour queue d'aronde en aboutement avec la queue d'aronde ( 16) afin de maintenir celle-ci dans une position prédéterminée dans la rainure; une fente d'équilibrage ( 42) dans la cale ( 40); un trou radial ( 46) percé à partir de la surface ( 48), dirigée radialement vers l'extérieur de la cale ( 40), et communiquant avec la fente d'équili- brage ( 42), la masse d'équilibrage ( 58) pouvant se monter par l'intermédiaire du trou radial, d'o il résulte le maintien de la masse dans la fente d'équi- librage. 18 Composant tournant selon la revendication 17, caractérisé en ce que la masse d'équilibrage ( 58) comprend une série, au choix, de masses pouvant se monter à l'intérieur de la fente d'équilibrage ( 42), un nombre variable de masses pouvant être utilisé pour des conditions d'équilibrage différentes. 19 Composant tournant selon la revendication 18, caractérisé en ce que les masses sont des billes. Composant tournant selon la revendication 19, caractérisé en ce que la masse comprend un maté- riau granulaire. 21 Composant tournant selon la revendication 19, caractérisé en ce que la masse d'équilibrage est constituée d'un matériau fusible se solidifiant sur place dans la fente d'équilibrage.