Brevet FR2546966A1 — publié le 19841207

Procédé de fabrication d'un ensemble d'ailettes de stator soudées pour turbomachine et ensemble en résultant. La présente invention est relative à un procédé de fabrication d'un ensemble d'ailettes de stator soudées pour turbomachine. Un procédé de fabrication connu de pièces de ce type consiste à forger des ailettes de stator ayant un profil d'aile et comportant, à leurs extrémités intérieures et extérieures dans le sens radial, des parties planes faisant partie inté- -1 grante des ailettes Ces ailettes de stator sont assemblées dans un gabarit de manière à former un ensemble annulaire dans lequel les parties planes sont à proximité les unes des autres. D'habitude, le soudage des parties planes s'effectue au moyen de faisceaux d'électrons convergents et chacun des joints de soudure se retracte, de sorte que tout l'ensemble se retracte dans le sens périphérique et dans le sens radial Chacun des joints de soudure se retracte d'à peu près la même quantité ( en principe 0,15 mm dans une direction périphérique), de sorte que l'on a toujours cherché, dans le passé, à réduire la plus possible le nombre des soudures. Pour tenir compte du retrait de l'ensemble, on réalise le gabarit de telle manière qu'il permette aux ailettes de se déplacer individuellement vers l'intérieur Cette solution implique l'utilisation de pinces glissantes poussées vers J 'interieur dans le sens radial par des ressorts Cependant, pendant le fonctionnement, les projections et les débris de soudure peuvent provoquer un coincement des parties de glis- sement du gabarit Il en résulte qu'il est difficile de monter l'ensemble non assujetti des ailettes dans le gabarit avant et pendant le serrage des ailettes dans le gabarit au moyen des pinces. La mise en place des ailettes non assujetties dans le gabarit demande beaucoup de temps Un opérateur expérimenté peut passer plusieurs heures à monter un jeu complet d'ailet- tes individuelles pour obtenir un ensemble d'ailettes non assujetti qui, après soudage, présentera un retrait de l'amplitude exactement voulue Comme les circonférences intérieure et extérieure de l'ensemble complet sont déterminées par la somme des largeurs périphériques de toutes les parties planes ou plate formes, ces plate-formes doivent être meulées ou usinées avec des tolérances très serrées Même dans ce cas, la somme de toutes les tolérances rend difficile la construction d'un ensemble complet ayant exactement la dimension voulue sans l'utilisation de plate-formes de di- mensions spéciales permettant de régler les dimensions finales de l'ensemble Il en résulte que le prix de revient de la fabrication se trouve considérablement augmenté en raison des frais d'usinage à des tolérances serrées, des frais en- traînés par la réalisation de pièces de dimensions spéciales et du temps passé à assembler et à ajuster les jeux d'ai- lettes de stator pour réaliser un ensemble satisfaisant. Un autre facteur contribuant à l'augmentation du prix de revient est constitué par les frais entraînés par la réalisation de plate-formes intérieures et extérieures faisant corps avec les ailettes Pour arriver à un espacement correct des ailettes de stator en utilisant le procédé connu consistant à souder ensemble les plate-formes, il est courant de re- tourner les extrémités des ailettes pour réaliser de larges plate-formes, Cette pratique contribue encore à augmenter le prix de revient du forgeage. Le but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication d'ensembles d'aillettes de stator soudées qui reviennent moins cher et soient plus faciles à monter que ceux qui viennent d'être décrits. Ce procédé comprend les phases suivantes: (a) réalisation de pièces intérieure et extérieure espacées dans le sens radial, la pièce extérieure comportant un corps creux qui comprend plusieurs pièces de maintien à distance espacées dans le sens périphérique autour d'une surface, tournée vers l'intérieur, d'une structure commune qui relie entre elles toutes les pièces de maintien à distance, de manière à ce qu'elles soient fixes les unes par rapport aux autres, et la pièce intérieure comportant un corps qui comprend plusieurs pièces de maintien à distance espacées dans le sens périphérique autour d'une surface, tournée vers l'extérieur, d'une structure commune qui relie entre elles toutes les pièces de maintien à distance de la pièce in- térieure de manière à ce qu'elles soient fixes les unes par rapport aux autres; (e) élimination d'une partire au moins de la structure commune qui relie entre elles les pièces de maintien à distance des pièces intérieure et extérieure de manière à laisser des anneaux intérieur et extérieur constitués alter- nativement par des pièces de maintien à distance et des dispositifs de fixation d'extrémité reliés par les ailettes. L'invention permet de réaliser chaque ailette à partir d'une pièce forgée initiale qui revient bien moins cher du fait que les dispositifs de fixation d'extrémité peuvent être très petits dans le sens périphérique et ne pas demander de retournement De ce fait, le prix de revient des pièces forgées peut se trouver réduit de 30 % ou davantage Le volume global de l'ensemble est plus directement déterminé par les diamètres des pièces intermédiaires et ne nécessite pas de longs assemblages et des remises en place des pièces non assujetties Toutes les-ailettes ayant des tolérances comprises dans des limites prédéterminées, on s'accommode -des tolérances individuelles du montage et ces tolérances ont moins d'importance pour les dimensions globales de l'ensemble. En appliquant le procédé suivant l'invention, on constate que l'on réalise au moins deux fois plus de soudures que dans les procédés connus décrits ci-dessus Comme on l'a vu, les inconvénients du retrait- incitaient à chercher à erduire le nombre des soudures Or, la présente invention a pour effet de renverser cette tendance car elle utilise le fait que la structure commune qui relie entre elles les pièces d'espacement a une fonction importante pendant le soudage, d'abord en permettant un positionnement précis des pièces d'espacement et en déterminant le retrait global, et ensuite en agissant comme pièce de remplissage des joints de soudure pour atténuer les effets du retrait - L'invention présente également l'avantage de relier les pièces d'espacement à la structure commune et c'est ce qui serait impossible pour assurer le positionnement précis des pièces d'espacement et des ailettes de stator non assujetties sans utiliser des gabarits compliqués comportant des pièces de glissement qui pourraient se coincer Le but du procédé suivant la présente invention est de permettre aux pièces intérieures et extérieures de prendre appui sur une surface plane pendant le montage des pièces non assujetties et d'être ensuite serrées par des pinces dans leur position o s'effectue le soudage. L'invention est décrite ci-dessous d'une manière plus détaillée à l'aide d'un exemple en se référant au dessin. La figure 1 est une vue schématique en plan d'un gabarit connu d'un type antérieur utilisé pour la fabrication d'ensembles d'ailettes de stator soudées suivant un procédé connu; La figure 2 est une vue en coupe suivant II-II de figure 1; La figure 3 est une vue schématique en plan d'un gabarit permettant le soudage d'ensembles d'ailettes de stator pour moteurs à turbine à gaz suivant le procédé de l'invention La figure 4 est une vue en coupe du gabarit suivant IV-IV de figure 3; La figure 5 est une vue en haut dé l'une des ailettes de l'ensemble d'ailettes de stator représenté par les figures 3 et 4, vue dans la direction le long des fentes La figure 6-est une vue de côté de l'ailette repré- sentée par la figure 5. Pour juger de la complexité du soudage dans les procédés antérieurs connus, il y a lieu de se reporter aux figures 1 et 2 Le gabarit du type antérieur représenté sur la figure 1 comprend une plaque de base ( 10) sur laquelle sont montées plusieurs pièces de serrage ( 12) mobiles dans le sens radial A chaque ailette de stator ( 14) qui doit être soudée correspond une pince de serrage ( 12) Chaque pince de serrage ( 12) est montée sur des roulements à aiguilles ( 16) et peut se déplacer vers l'intérieur dans le sens radial sous l'action d'une pièce cylindrique ( 18) qui pousse les cames ( 20) de chacune des pinces de serrage ( 12) Dans ces conditions, la pièce cylindrique fois dans le sens radiai vers l'intérieur. Chaque ensemble d'ailettes de stator comprend une ailette ( 22) en forme d'aile qui comporte des plate-formes de bout et de base ( 24,26) qui font partie intégrante de la pièce et s'étendent dans le sens périphérique Les ailettes ( 14) sont réalisées par forgeage et sont usinées jusqu'à leur profil définitif avant leur introduction dans le gabarit Les plate-formes ( 24,26) des ailettes voisines sont soudées les unes aux autres par des faisceaux d'électrons (représentés schématiquement par les flèches (A) et (B) Des plaques de choc ( 28) sont placées de chaque côté des ailettes de manière à éviter que les faisceaux d'électrons endommagent l'ensemble des ailettes du stator. Lorsque le soudage est effectué, les ailettes diamè- tralement opposées sont soudées dans l'ordre de sorte que tout l'ensemble se rétracte d'une manière contrôlée On voit donc que, dans ce gabarit connu, comme le montrent les figures 1 et 2, il y a beaucoup de parties mobiles et de roulements à aiguilles ( 16) qui peuvent se coincer (et le font souvent) en raison de la présence de matériaux de soudure et d'autres débris qui tombent entre les pinces de serrage ( 12) De plus, les dimensions définitives de l'ensemble des ailettes du stator sont entièrement déterminées par le retrait de nombreuses pièces non assujetties poussées dans le sens radial vers l'intérieur par la pièce cylindrique ( 18) et les cames ( 20). Le gabarit est également très compliqué et le prix de revient de sa fabrication est élevé et, de plus, les soudures doivent être reprises à la main car les cordons de soudure sont ex- posés à l'anneau d'écoulement de fluide du moteur à turbine a gaz. Le principe du procédé de soudage objet de la présente invention est mis en évidence par les figures 3 à 6 Comme le montre la figure 3, le gabarit comprend une plaque de base ( 30) qui comporte deux brides concentriques ( 32,34) qui délimitent deux surfaces de contact coplanaires L'ensemble des ailettes de stator qui doivent être soudées comprend deux pièces cylindriques creuses ( 38,40) qui sont placées con- centriquement sur les surfaces de butée ( 36,37) au moyen de pinces et de pièces d'alignement ( 42,44) montées sur la plaque de base. La pièce cylindrique extérieure ( 40) comporte un trou conique ( 46) qui contient des rainures ( 48) qui s'étendent sur toute la longueur du trou en faisant un angle d'environ 150 par rapport à l'axe De même, la pièce cylindrique intérieure ( 38) comporte une surface extérieure conique ( 50) qui est tournée vers le trou conique ( 46) de la pièce extérieure ( 40) et s'adapte à lui La surface extérieure ( 50) de la pièce intérieure ( 38) comporte également des rainures ( 52) qui sont orientées dans le sens axial le long de la surface ( 50). Comme le montrent les figures 5 et 6, les rainures ( 48) et ( 52) sont des côtés parallèles, de sorte que les surfaces ( 54,56) des rainures ( 48) qui se font face dans le sens périphérique et les surfaces ( 58,60) des rainures ( 52) qui se font face dans le sens périphérique sont parallèles les unes aux autres De plus, l'une des surfaces ( 54), tournée dans le sens de la périphérie, de chacune des rainures ( 48) est dans le même plan radial que l'une des surfaces ( 58) de chacune des rainures ( 52 > La largeur des rainures ( 52) est légèrement inférieure à la largeur des rainures ( 48). Dans ces conditions, chacune des rainures peut être usinée soit par fraisage ou par mandrinage en affectant chaque pièce ( 38) ou ( 40), lorsque c'est le cas, à une fraise ou à un mandrin ayant des côtés parallèles Les rainures ( 48,52) sont usinées suivant un angle de 15 environ par rapport à l'axe de l'ensemble. Chacune des ailettes de stator à souder comprend une ailette ( 22) qui comporte, à chacune de ses extrémités, une partie de fixation et a des dimensions telles qu'elle puisse s'engager dans les rainures sé correspondant ( 48 ou 52) On constate que le reste du métal qui se trouve entre les rainures ( 48,52), constitue une pièce d'écartement et que ces pièces de maintien à distance ( 68,70) sont reliées par une structure commune constituée par le matériau formant les pièces ( 38,40) qui délimite la base des rainures ( 48,52). Les dimensions des rainures ( 48,52) et des parties de fixation d'extrémité et les tolérances d'usinage sont déterminées dans un seul plan à une seule extrémité des pièces ( 38 et 40) et, pour éviter que les ailettes individuel- les ne se coincent à différentes positions dans les pièces ( 38 et 40), la base des rainures ( 48,52) est usinée de manière à présenter une légère inclinaison par rapport aux faces ds pièces de fixation d'extrémité ( 64,66) qui sont tournées vers la base des rainures Cette inclinaison en biseau est mise plus particulièrement en évidence sur la figure 6. Comme le montrent encore les figures 3 et 4, les ailettes de stator qui doivent être soudées sont enfoncées dans les rainures ( 48,52) de manière que les pièces ( 38,40) soient maintenues serrées par les pinces ( 42) Lorsqu'un jeu complet d'ailettes a été mis en place dans les rainures, les pinces ( 42) maintiennent l'ensemble, non assujetti, dans le gabarit Des pinces à ressort ( 74) sont utilisées pour pousser les ailettes ( 14) contre les surfaces de butée correspondantes ( 36,37) Lorsque l'ensemble est serré légèrement dans le gabarit, le soudage au faisceau d'électrons commence. Le soudage par faisceau d'électrons de chaque pièce de fixation d'extrémité ( 64) à la pièce ( 40) s'effectue en en- voyant un faisceau d'électrons E convergent au niveau du trou ( 46) pour réaliser une soudure entre les faces parallèles des pièces d'ajustage d'extrémité et les côtés des rainures. De même, le soudage des pièces de fixation d'extrémité ( 66) à la pièce intérieure ( 38) s'effectue en envoyant un faisceau convergent d'électrons sur la surface ( 50) et en réalisant une soudure entre les pièces de fixation d'extrémité ( 66) et les côtés des rainures ( 52) Pendant l'opération de soudage, le retrait de l'ensemble est contrêlé d'après les dimensions des anneaux rainurés que l'on utilise pour réaliser les pièces intérieure et extérieure ( 38,40) La structure commune reliant les "pièces de maintien à distance", c'est-à-dire le matériau constituant les pièces intérieure et extérieure ( 38,40) qui forment la base des rainures ( 48,52), agit égale- ment comme matériau de remplissage et, de ce fait, surmonte chaque joint de soudure Bien qu'il y ait deux fois plus de soudures à exécuter que dans le cas de l'ensemble représenté par les figures 1 et 2, l'expérience montre que le retrait des pièces ( 38,40) peut être contrôlé et réglé d'une manière beaucoup plus précise. L'ensemble soudé, à ce stade du procédé, comprend plusieurs ailettes soudées dans des anneaux rainurés Le stade suivant du procédé consiste à éliminer par usinage au moins une partie de la structure commune qui relie les unes aux autres les pièces de maintien à distance, de manière que l'ensemble définitif comprenne deux anneaux concentriques comprenant chacun alternativement une pièce de fixation d'extrémité ( 64,66) ét des pièces de maintien à distance ( 68,70) Lors de l'usinage éliminant la structure commune, les soudures sont dégagées de sorte que l'on peut vérifier que la pénétration de la soudure a été complète L'inspection s'en trouve considérablement simplifiée On peut ensuite ef- fectuer d'autres opérations, comme, par exemple, le montage de brides supplémentaires sur l'ensemble après qu'une partie de la structure commune ait été enlevée. Comme le montre la figure 6, une petite partie rentrante ( 80) a été ménagée dans les pièces intérieure et extérieure ( 38,40) Il y a lieu de remarquer que toutes les pièces de fixation d'extrémité ( 64,66) ne comportent pas une partie rentrante de ce genre La raison en est que, lorsque toutes les ailettes ( 14)-sont placées dans les rainures ( 48,52), les pièces de fixation d'extrémité ( 64,66) délimitent une discontinuité au voisinage de cette partie rentrante périphérique ( 80), de sorte que l'on peut utiliser un appareil automatique pour localiser la région dans laquelle la soudure doit être effectuée et bloquer le faisceau d'électrons sur cette région pour effectuer un soudage auto- matique Ce mode de localisation des zones de soudure est très connu et ne fait pas partie par lui-même de l'invention. Dans l'exemple ci-dessus, les pièces intérieure et extérieure ( 38,40) sont usinées, chacune, en partant d'une pièce unique et les "pièces de maintien à distance" ( 70) sont constituées par le même métal que les pièces ( 38,40). Cependant, bien que ce soit un mode de réalisation préféré, il va de soi qu'il est possible, dans certaines formes de stator, de réaliser des pièces de maintien à distance séparées et de les moniter sur une structure d'appui commune, par exemple au moyen de broches ou de dispositifs de fixation Il est évident, cependant, que ce dernier mode de fixation ne présente pas les avantages du mode de construction représenté sur les figures 3 à 6. Les avantages qu'offre la présente invention sont nettement mis en évidence si l'on compare la simplicité du gabarit représenté par les figures 3 et 4 à la complexité du gabarit représenté par les figures 1 et 2 Si l'on tient compte du fait qu'un ensemble d'ailettes de stator contient généralement soixante ailettes de stator ou davantage, il est évident que les tolérances d'usinage et le montage donnent beaucoup moins de complications que dans le cas des procédés de soudage antérieurs connus Contrairement à ce que l'on pourrait croire, le fait que le nombre des soudures se trouve multiplié par deux ne complique pas les problèmes dus au retrait car les pièces unitaires ( 38,40) contrôlent et règlent ce retrait. Le gabarit représer;té sur les figures 3 et 4 comporte des blocs d'impact ( 81,82) qui arrêtent le faisceau d'électrons o 10 lorsqu'il pénètre dans l'ensemble d'ailettes de stator. il REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un ensemble d'ailettes de stator soudées, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes (a) réalisation de pièces ( 38,40) intérieure et extérieure espacées dans le sens radial, la pièce extérieure ( 40) com- portant un corps creux qui comprend plusieurs pièces de maintien à distance ( 70) espacées dans le sens périphérique autour d'une surface, tournée vers l'intérieur, d'une structure commune qui relie entre elles toutes les pièces de maintien à distance ( 70), de manière à ce qu'elles soient fixes les unes par rapport aux autres, et la pièce intérieure ( 38) comportant un corps qui comprend plusieurs pièces de maintien à distance ( 68) espacées dans le sens périphérique autour d'une surface, tournée vers l'extérieur, d'une structure commune qui relie entre elles toutes les pièces de maintien à distance ( 68) de la pièce intérieure ( 38) de manière à ce qu'elles soient fixes les unes par rapport aux autres; (b) réalisation d'un certain nombre d'ailettes de stator ( 22) dont chacune comprend une ailette ( 22) comportant à chacune de ses extrémités, un dispositif de fixation d'extrémité ( 64,66) s'étendant dans le sens périphérique, l'un de ces dispositifs de fixation d'extrémité ( 64) des chaque ailette ( 52) ayant une forme et des dimensions telles, dans le sens périphérique, qu'il s'adapte entre, et s'appuie contre, deux pièces de maintien à distance ( 70) de la pièce extérieure ( 40) et l'autre dispositif de fixation d'extré- mité ( 66) de chaque ailette de stator ( 22) ayant une forme et des dimensions telles qu'il s'adapte entre, et s'appuie contre, deux pièces de maintien à distance ( 68) de la pièce intérieure ( 38); (c) insertion des ailettes ( 52) entre les pièces intérieure et extérieure ( 38,40), chaque ailette ( 52) comportant un dispositif de fixation d'extrémité ( 64) placé entre, et s'appuyant contre, deux pièces de maintien à distance ( 70) de la pièce extérieure ( 40) et un dispositif de fixation d'extré- mité ( 66) placé entre, et s'appuyant contre, deux pièces de maintien à distance ( 68) de la pièce intérieure ( 38); (d) réalisation de soudures entre les dispositifs de fixation d'extrémité ( 64, 66) et les pièces de maintien à distance ( 68,70) de manière à permettre aux pièces intérieure et exté- rieure ( 38,40) d'effectuer un retrait périphérique; (e) élimination d'une partie au moins de la structure com- mune qui relie entre elle les pièces de maintien à distance ( 68,70) des pièces intérieure et extérieure ( 38,40) de manière à laisser des anneaux intérieur et extérieur constitués alternativement par des pièces de maintien à distance ( 68,70) et des dispositifs de fixation d'extrémité ( 64,66) reliés par les ailettes ( 22). 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce extérieure ( 40) comprend un corps unitaire com- portant un alésage de section circulaire et plusieurs parties rentrantes ( 48) réparties à la périphérie et s'étendant le long de l'alésage, les pièces de maintien à distance ( 68) étant délimitées par le matériau constituant la pièce ( 40) qui est située, à la périphérie entre les pièces rentrantes ( 48). 3. Procédé selon la revendication 1 o u la revendication 2, caractérisé en ce que la pièce intérieure ( 38) comprend un corps unitaire comportant un profil extérieur de section circulaire et plusieurs parties rentrantes ( 52) reparties à sa périphérie et s'étendant le long du profil, les pièces de maintien à distance ( 70) étant délimitées par le matériau constituant la pièce ( 38) qui est située, à la périphérie, entre les pièces rentrantes ( 52). 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les pièces de maintien à distance ( 68,70) et les dispositifs de fixation d'extrémité ( 64,66) ont une forme telle qu'ils comportent des surfaces coniques, ces surfaces coniques se rejoignant pour délimiter un passage an- nulaire, pour l'écoulement du fluide, et dans lequel les ailettes ( 22) sont logées. 5. Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les faces de chacune des parties rentrantes ( 48,52) qui sont tournées l'une vers l'autre sont sensiblement parallèles l'une à l'autre. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 2, 3 ou 5, caractérisé en ce que chaque partie rentrante ( 48) ménagée dans la pièce extérieure ( 40) fait face à une partie rentrante ( 52) ménagée dans la pièce intérieure ( 38) et que l'une des surfaces ( 54) de chaque partie rentrante ( 48) ménagée dans la pièce extérieure ( 40) qui se font face dans le oens périphérique se trouve dans le même plan que l'une des surfaces ( 58) d'une partienentrante ( 52), ménagée dans la pièce intérieure ( 38), qui se font face dans le sens périphérique. 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ce plan est un plan radial de l'ensemble. 8. Procédé selon l'une des revendications 2, 3, 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que la partie rentrante ( 48,52) est orientée de manière à faire un angle avec l'axe de l'ensemble. 9 Procédé selon l'une quelconque des revendications 2, 3, 5, 6 ou 7, caractérisé en ce qu'un intervalle biseauté est réalisé entre la base de chaque partie rentrante ( 48,52) et la surface du dispositif de fixation d'extrémité ( 64,66) aui fait face à la base de la partie rentrante ( 48,52). 10 k Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les opérations de soudage sont effectuées en utilisant un faisceau convergent d'électrons. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la structure commune est enlevée par usinage du matériau reliant les pièces de maintien à distance ( 68,70). 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'on réalise une partie rentrante périphérique ( 80) coplanaire dans l'une des surfaces d'une pièce de maintien à distance ( 68,70), avant le soudage, de manière a réaliser une discontinuité qui favorise la localisation de la ligne de soudage pendant l'opération de soudage. 13. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 12, caractérisé en ce que des brides supplé- mentaires peuvent être montées sur l'ensemble après qu'une partie de la structure commune ait été enlevée. 14. Ensemble d'ailettes de stator soudées pour turbomachine réalisé par la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 a 13.