Brevet FR2544381A1 — publié le 19841019

La présente invention concerne des machines tour- nantes et, plus particulièrement, des machines tournantes du type ayant une aube supportée par une queue d'aronde à la périphérie d'une roue tournante. Dans les compresseurs et turbines à flux axial, il est classique de former un montage unifié consistant en une queue d'aronde emboîtable dans une encoche en queue d'aronde ménagée dans une roue, queue d'aronde de laquelle se prolon- ge radialement vers l'extérieur une aube en porte-à-faux. Des concentrations de contraintes peuvent apparaître à la jonction de l'aube en porte-à-faux et de la queue d'aronde ce qui peut conduire à l'amorçage de fissures et, dans le cas extrême, à la rupture du montage On peut attribuer ces concentrations de contraintes à la fixation rigide de la queue d'aronde dans la roue combinée aux flexions de l'aube vibrant dans un de ses modes de vibration, par exemple, son mode fondamental de vibration. Dans certains de ces appareils tournants, il a été usuel d'utiliser des extrémités d'interverrouillage, des fils de fixation ou des viroles intermédiaires sur de gran- des aubes afin d'interverrouiller les aubes et soit modifier leur fréquence de résonance soit amortir les vibrations. Prévoir les problèmes de vibration au moment de la conception est extrêmement difficile, sinon impossible car, dans de nombreux cas, on ne peut totalement préciser les -2- caractéristiques dynamiques d'une aube de rotor qu'après avoir construit et testé un prototype de grandeur nature La correction des problèmes de vibration à ce stade est extrê- mement coûteux De plus, la rupture potentielle d'une aube est typiquement un événement de fatigue cyclique prolongée qui peut ne pas apparaître avant un fonctionnement de l'ap- pareil pendant une longue période Il est possible qu'un problème de fissuration potentielle dans l'aube ne soit pas découvert après des années de fonctionnement. Certains des moyens de fixation, y compris les interverrouillages aux extrémités, les fils, viroles, et autres techniques sont non seulement coûteux et introduisent des retards mais aussi se traduisent par des pertes de ren- dement et de puissance de sortie qui compromettent les caractéristiques aérodynamiques définies du dispositif con- tenant l'aube. D'autres solutions sont, par exemple, des aubes amovibles qui peuvent produire un chargement non uniforme de la queue d'aronde fixée en dépit de la précision de l'usina- ge des segments d'arc Les aubes amovibles peuvent aussi conduire à des problèmes d'étanchéité entre les plateformes des aubes ce qui peut diminuer le rendement du compresseur. En conséquence, la présente invention a pour but de fournir un système d'aube et de queue d'aron- de qui remédie aux inconvénients de-l'art antérieur de fournir une aube et une queue d'aronde ayant une flexibilité réglable au choix dans la région de la queue d'aronde pour réduire les contraintes induites par les vi- brations et/ou déplacer les modes et fréquences naturelles de vibration; de réduire la possibilité de fissuration poten- tielle à la jonction relativement rigide du pied d'aube et de la queue d'aronde en réduisant sélectivement le support mécanique qu'assure à la queue d'aronde l'encoche en queue d'aronde; -3- de fournir un système pour amortir les vibra- tions d'une plateforme de queue d'aronde; de fournir des masses d'amortissement qui sont poussées en contact de friction avec une plateforme de queue -5 d'aronde pour amortir le déplacement par vibration de la plateforme de queue d'aronde. Selon une réalisation de l'invention, on fournit un composant tournant comprenant une roue, un ensemble d'en- coches en queue d'aronde dans la surface de la roue, un ensemble d'aubes de rotor ayant une queue d'aronde et une partie aérodynamique en porte-àfaux, les queues d'aronde étant emboîtables dans les encoches en queue d'aronde pour un support en porte-à-faux radialement vers l'extérieur depuis la roue des parties aérodynamiques, et des moyens pour modifier le support de la queue d'aronde par l'encoche en queue d'aronde grâce à quoi on modifie la contrainte dans l'aube de rotor. La suite de la description se, réfère aux figures annexées qui représentent, respectivement: Figure 1, une vue en perspective d'un étage de compresseur de l'art antérieur partiellement démonté; figure 2, une vue en coupe faite suivant la ligne II-II de la figure l à laquelle on fera référence pour il- lustrer le problème résolu par la présente invention; figure 3, une vue en perspective d'une partie d'une aube de rotor ayant une queue d'aronde modifiée selon une réalisation de la présente invention; figure 4, une vue en perspective d'une partie d'une autre aube de rotor et de ses cales associées selon une seconde réalisation de l'invention; figure 5, une coupe d'une queue d'aronde modifiée incluant une paire de masses d'amortissement selon une réa- lisation de l'invention; figure 6, une vue de côté d'une aube de rotor avec des masses d'amortissement en position centrale; -4 figure 7, une vue de côté d'une aube de rotor avec des masses d'amortissement en positions extrêmes; figure 8, une coupe d'une autre réalisation de l'invention montrant une masse d'amortissement d'une seule pièce: figure 9, une coupe d'une queue d'aronde modifiée et d'une unique masse d'amortissement qui fournit un amor- tissement et un support asymétrique d'une partie aérodynami- que; et figure 10, une autre réalisation de l'invention fournissant un amortissement et un support asymétrique. Bien que la présente invention puisse s'appliquer à tout appareil convenable dans lequel une aube en porte- à-faux est supportée sur une roue par une queue d'aronde, pour des raisons de simplification de la description, l'exemple illustratif utilisé ici est un des étages d'un compresseur à flux axial de turbine à gaz Excepté pour une partie de la terminologie utilisée, l'invention s'applique également à d'autres dispositifs de ce type général. En se référant maintenant à la figure 1, on y a représenté, de manière générale en 10, une partie d'un étage de compresseur selon l'art antérieur dans lequel une roue 12 comporte des encoches en queue d'aronde 14 usinées dans sa périphérie Un ensemble d'aubes de rotor 16 ont des queues d'aronde 18 emboîtables précisément dans des encoches en queue d'aronde respectives 14 Une partie aérodynamique 20 est généralement formée d'un seul tenant avec la queue d'aronde 18. Comme cela est classique, la queue d'aronde 18 est plus courte que l'encoche en queue d'aronde 14 Des cales 22 et 24 ayant une section droite correspondante à la queue d'aronde 18 sont insérées dans l'encoche en queue d'aronde 14 aux extrémités opposées de la queue d'aronde 18 les cales 22 et 24 sont fixées dans l'encoche en queue d'aronde 14 par tout moyen convenable tel que, par exemple, par blo- cage par tasseau (non représenté) pour ainsi contraindre la queue d'aronde 18 dans la direction longitudinale. En se référant maintenant à la figure 2, on a représenté une aube de rotor 16 avec sa partie aérodynamique vibrant entre une position d'équilibre représentée en trait plein et des positions extrêmes fortement exagérées repré- sentées en traits interrompus La queue d'aronde 18 reste fixée relativement rigidement à la roue 12 par son emboîte- ment avec l'encoche en queue d'aronde 14 Ainsi, des con- traintes provenant de la vibration de la partie aérodynami- que 20 tendent à se concentrer au pied 26 o la partie aéro- dynamique 20 est réunie à la queue d'aronde 18 Le pied 26 représente donc un point potentiel d'amorçage de fissures qui peuvent se propager en une crique 28. En se référant à nouveau momentanément à la figure 1, l'analyse et l'expérience montrent que l'amorçage de fissures à la plus grande probabilité d'apparaître au voisi- nage de la mi-largeur 30 ou à l'une ou aux deux extrémités 32 de la partie aérodynamique 20 o elle est réunie à la queue d'aronde 18. En se référant maintenant à la figure 3, on a représenté une réalisation de l'invention qui est dirigée vers la suppression des concentrations de contraintes à la demi-largeur 30 Une partie aérodynamique 20 est réunie à une queue d'aronde modifiée 34 qui possède une partie évidée 36 réunissant des parties terminales 38 et 40 La partie évidée 36 réduit le support de la partie aérodynamique 20 de sorte qu'une région de plateforme 42 reçoit un support gran- dement moindre de l'encoche en queue d'aronde 14 comparée aux parties terminales 38 et 40 qui en reçoivent un support total En réduisant le support pour la demi-largeur 30 de la partie aérodynamique 20, on peut modifier la répartition des contraintes dans le pied 26 et la réponse dynamique de la partie aérodynamique 20, y compris ses modes, résonances et fréquences naturelles En choisissant sélectivement la posi- -6- tion et la quantité de matière ôtée dans la partie évidée 36, on peut modeler le motif de répartition des contraintes dans le pied 26 pour uniformiser ce motif de répartition des contraintes et ainsi réduire la possibilité d'amorçage de fissures L'aptitude de la présente invention à modifier ou modeler la réponse dynamique de l'aube de rotor 16 permet de déplacer les endroits auxquels peuvent apparaître des points de contrainte maximum vers des régions o leurs effets peu- vent être tolérés En outre, en permettant la modification des fréquences de la réponse dynamique de l'aube, la présen- te invention peut éviter des résonances mécaniques qui au- trement pourraient exciter l'aube de-rotor 16. On peut utiliser la réalisation de la figure 4 pour modeler les contraintes dans une aube de rotor 16 ' lorsqu'il apparaît qu'on peut trouver des contraintes exces- sives à la jonction des extrémités 32 de la partie aérodyna- mique 20 avec une queue d'aronde modifiée 44 Dans cette réalisation, des première et seconde parties évidées 46 et 48 réduisent le support de la partie aérodynamique 20 sous les extrémités 32 de cette partie aérodynamique 20 Comme dans la réalisation précédente, cette réduction du support en un ou plusieurs endroits particuliers peut modeler la répartition des contraintes en améliorant son uniformité. Les réalisations des figures 3 et 4 peuvent, bien sûr, être combinées dans des cas spéciaux C'est-à-dire, on peut utiliser une partie d'extrémité évidée à une extrémité d'une queue d'aronde et une partie centrale évidée dans la même queue d'aronde sans utiliser de partie évidée à l'extrémité restante. En se référant maintenant à la figure 5, on y a représenté un système supplémentaire pour réduire les vibra- tions et modifier la répartition des contraintes dans le pied et la partie aérodynamique 20 Des première et seconde masses d'amortissement 50 et 52 sont placées dans l'encoche en queue d'aronde 14 dans la région vide de la figure 3 ou -7 4 Les masses d'amortissement 50 et 52 sont poussées radia- lement vers l'extérieur par la force centrifuge et viennent en contact de friction avec des surfaces 54 et 56 sur la périphérie de l'encoche en queue d'aronde 14 et en contact de friction avec des surfaces 58 et 60 de la région de pla- teforme 42 Lorsque la région de plateforme 42 tourne sous l'effet de la vibration de la partie aérodynamique 20, des. pertes par friction sont induites dans cette région de pla- teforme 42 par son contact de friction avec les surfaces 58 et 60 En outre, on obtient d'autres pertes par friction par le contact de friction entre les surfaces 54 et 56 et les régions de l'encoche en queue d'aronde 14 sur lesquelles buttent ces surfaces Comme indiqué, on peut utiliser les masses d'amortissement 50 et 52 dans la réalisation de la figure 3 comme le montre la figure 6 et aussi dans la réali- sation de la figure 4 comme le montre la figure 7. En se référant à la figure 8, une masse d'amortis- sement d'une seule pièce peut s'avérer indiquée dans cer- tains cas pour fournir la perte d'énergie cinétique voulue de la partie aérodynamique 20. En se référant maintenant à la figure 9, on y a représenté une réalisation de l'invention qui fournit des propriété asymétriques d'amortissement Dans cette réalisa- tion, une queue d'aronde modifiée 64 est seulement évidée en partie (de façon asymétrique par rapport à l'axe longitudi- nal de la queue d'aronde) pour recevoir une unique masse d'amortissement 66 qui est contrainte contre une surface 68 de la queue d'aronde modifiée 64 et contre une surface 70 de l'encoche en queue d'aronde 14 par la force centrifuge Il est évident pour l'homme de l'art que la rigidité conférée à la partie aérodynamique 20 par la queue d'aronde modifiée 64 diffère dans les deux directions latérales de déplacement de la partie aérodynamique 20 Ainsi, lorsque cet amortissement asymétrique est souhaitable, on peut utiliser la réalisation de la figure 9. -8- fn 3 e référant à la figure 10, on a représenté une autre réalisation de l'invention dans laquelle une queue d'aronde modifiée 72 comporte une partie évidée qui reçoit une masse d'amortissement 74. L'homme de l'art pourra aisément trouver d'autres formes et interfaces entre les masses d'amortissement et le reste du système. REVENDICATIONS 1 Composant tournant caractérisé en ce qu'il comprend: une roue ( 12) un ensemble d'encoches en queue d'aronde ( 14) dans une surface de la roue; un ensemble d'aubes de rotor ( 16) ayant chacune une queue d'aronde ( 34) et une partie aérodynamique ( 20) en porte-à-faux; les queues d'aronde étant emboîtables dans les encoches en queue d'aronde pour un support en porte-à- faux radialement vers l'extérieur de la partie aérodynamique par la roue; et des moyens ( 36) pour modifier un support des queues d'aronde par les encoches en queue d'aronde grâce à quoi on modifie les contraintes dans les aubes de rotor. 2 Composant tournant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de modification d'un sup- port comprennent une partie évidée ( 36) de la queue d'aronde. 3 Composant tournant selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie évidée comprend une partie centrale ( 36) de la queue d'aronde, cette partie évidée laissant une région de plateforme ( 42) attachée à un pied ( 26) de la partie aérodynamique. 4 Composant tournant selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie évidée comprend au moins une partie d'extrémité ( 46) de la queue d'aronde, cette partie évidée laissant une région de plateforme attachée à un pied de la partie aérodynamique. Composant tournant selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de modification d'un sup- port comprennent au moins une masse d'amortissement ( 50) emboitable dans la queue d'aronde adjacente à la partie évidée, cette masse d'amortissement comportant des moyens pour, par friction, amortir le déplacement d'au moins une partie de l'aube de rotor. - 6 Composant tournant selon la revendication 5, caractérisé en ce que la masse d'amortissement se compose de première et seconde masses d'amortissement ( 50, 52) symétri- quement disposées dans l'encoche en queue d'aronde à la partie évidée. 7 Composant tournant selon la revendication 5, caractérisé en ce que la masse d'amortissement se compose d'une unique masse d'amortissement ( 62) symétriquement dis- posée dans l'encoche en queue d'aronde à la partie évidée. 8 Composant tournant selon la revendication 5, caractérisé en ce que la partie évidée est asymétrique par rapport à l'axe longitudinal de la queue d'aronde et la masse d'amortissement se compose d'une unique masse d'amor- tissement ( 70) disposée asymétriquement dans l'encoche en queue d'aronde ( 14) à la partie évidée, l'asymétrie de la partie évidée et la disposition de la masse d'amortissement étant efficaces pour amortir différemment lé déplacement de l'aube de rotor dans une première direction par rapport à une seconde direction.