Brevet FR2563571A1 — publié le 19851031

L'invention concerne généralement les aubes de turbomachines et plus particulièrement un bout d'aube amé- lioré comportant un revêtement abrasif. Les turbomachines à flux axial comportent classi- quement un ou plusieurs ensembles rotatifs ou disques. Cha- que disque contient un certain nombre d'aubes placées dans le sens radial. Chacun de ces disques avec aubes est rotatif par rapport à une surface fixe ou virole qui entoure circu- lairement chacun des disques. L'extrémité radialement exté- rieure ou bout de chaque aube forme un intervalle étroit ou jeu par rapport à la virole. Idealement, de tels jeux ne devraient pas exister. Cependant, en pratique le rotor comportant les aubes et la virole qui lui est concentrique n'ont pas des formes parfaitement circulaires et invaria- bles. Différentes forces agissent sur elles pour créer des déformations. Par exemple, des variations de température créent des vitesses de dilatation ou de contraction thermi- que différentielles entre le rotor et la virole qui peuvent avoir pour résultat un frottement entre les bouts d'aubes et les viroles. De plus, les forces centrifuges agissant sur les aubes et les forces structurelles agissant sur la virole créent des déformations qui peuvent avoir pour résultat des frottements. De tels frottements ont pour résultat la détério- ration des bouts d'aubes et/ou de la surface de la virole 2- augmentant ainsi le jeu moyen, que l'on appellera ci-après le jeu en bout d'aube. L'augmentation du jeu en bout d'aube a pour résultat une diminution significative des rendements du moteur à turbine à gaz et par conséquent de la consomma- tion de combustible. Généralement, on peut mettre en forme les bouts d'aubes, avant l'assemblage à l'intérieur du capot, avec des tolérances très étroites en ce qui concerne la longueur d'aube qui a un effet sur le jeu en bout d'aube. Par opposi- tion, le manque de rotondité du capot et les excentricités entre les axes du rotor et de la virole sont difficiles à éviter, particulièrement pendant le fonctionnement du mo- teur. Ainsi, pendant certaines périodes du fonctionnement du moteur les bouts d'aubes peuvent entrer en contact avec la virole dans certaines régions d'interférence. Si les bouts d'aubes sont considérés comme sacrifiés et sont usés par les contacts dans ces régions, le jeu en bout d'aube moyen dans les régions de non interférence augmentera, diminuant ainsi le rendement du moteur. Cependant, si le bout d'aube compor- te un revêtement abrasif, la virole peut être usée dans les régions d'interférence et le jeu dans les régions de non interférence ne sera pas affecté. Dans l'une ou l'autre de ces situations, une cer- taine usure des bouts d'aubes est inévitable. De manière à accommoder les frottements d'aubes sans effets nuisibles de ces frottements sur les aubes, il est bien connu d'utiliser des "surfaces de frottement" placées à l'extrémité radiale- ment extérieure de l'aube. Ces "surfaces de frottement" sont classiquement des extensions allongées du profil aérodynami- que et se composent essentiellement d'une longue ailette mince qui se fendille aisément et est difficile à refroidir. Comme noté ci-dessus il est connu d'utiliser aussi des revêtements abrasifs placés en bout d'aube. Par exemple les brevets des Etats-Unis n 4 232 995 et 4 390 320 décri- vent des bouts d'aubes comportant des revêtements abrasifs. 3 - Ces bouts d'aubes ont fait preuve de leur efficacité dans l'application proposée. Cependant il est difficile d'assurer une bonne liaison entre le revêtement abrasif et le bout d'aube. Les frottements en bout d'aube ont tendance à arri- ver rapidement et à produire une force de cisaillement sur le revêtement. Les aubes de l'art antérieur reposaient sur la force de la liaison entre le revêtement abrasif et le bout d'aube pour résister à de telles forces. La présente invention a pour buts de réaliser: - un nouveau bout d'aube de rotor amélioré; - un bout d'aube de rotor avec un revêtement abra- sif qui présente une résistance accrue aux forces de cisail- lement; - un bout d'aube de rotor ayant une configuration qui permette d'améliorer son refroidissement. Dans la présente invention, une aube de rotor comporte un bout d'aube amélioré comportant un revêtement abrasif. L'aube peut tourner par rapport à une surface fixe. Le bout d'aube a un contour qui a pour effet de produire une composante de charge perpendiculaire sur le revêtement si le bout d'aube vient en contact avec la surface pendant sa rotation. Selon un mode de réalisation de la présente inven- tion le bout d'aube a une paroi d'extrémité qui s'étend radialement vers l'extérieur à partir de l'extrémité exté- rieure de l'aube et se termine par une surface généralement plane. Le bout d'aube comporte en outre une surface concave, limitée par la paroi d'extrémité. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent: - Figure 1, une vue en perspective partielle d'une aube de turbomachine avec son bout d'aube selon un mode de réalisation de la présente invention; - Figure 2, une vue en coupe prise selon la ligne 2-2 de la figure 1. --4- - Figure 3, une vue en coupe d'un bout d'aube selon un autre mode de réalisation de la présente invention. La figure 1 représente une aube de rotor 10 selon un mode de réalisation de la présente invention. A l'extré- mité radialement extérieure de l'aube 10, on a placé un bout d'aube 12 comportant un revêtement abrasif 14. On peut uti- liser de manière avantageuse différents matériaux abrasifs pour le revêtement et qui sont bien connus de la technique. Par exemple on peut utiliser du nitrure de bore cubique ou un oxyde d'aluminium. La figure 2 est une vue en coupe partielle de l'aube 10 représentée figure 1. Le bout d'aube est placé radialement vers l'extérieur à partir de l'extrémité exté- rieure 20 de l'aube 10 et comporte une paroi d'extrémité 16 qui s'étend radialement vers l'extérieur à partir de la périphérie 18 de l'extrémité radialement extérieure 20. La paroi d'extrémité 16 s'étend tout autour de la périphérie de l'aube 10 et se termine par une surface généralement plane 22. Le bout d'aube 12 comporte aussi une surface concave 24 délimitée par la paroi d'extrémité 16 et s'étendant radiale- ment vers- l'intérieur. La surface concave 24 est continue avec la surface plane 22. Lorsqu'on installe dans une turbo- machine l'aube 10, cette aube peut tourner par rapport à une virole ou surface fixe (non représentée) de sorte que le bout d'aube 12 se trouve à proximité de la dite surface. La profondeur maximum "d" de la surface concave 24 en-dessous d'un plan de référence contenant la surface plane 22 peut varier selon l'application particulière et la quan- tité de frottement anticipée entre le bout d'aube 12 et la virole l'entourant. En général, l'épaisseur "t" du revête- ment abrasif 14 sera relativement faible pour empêcher des différences de température importantes entre la surface concave 24 et l'interface 26. L'épaisseur applicable de revêtement abrasif 14 peut varier en fonction de l'abrasif choisi et des méthodes utilisées pour le lier au bout d'au- - 5- be. Si la conductivité thermique effective du revêtement 14 est faible, une trop grande épaisseur peut causer un écail- lement sous l'effet des contraintes thermiques. Si le revê- tement est trop mince, la liaison à l'interface 26 peut être affaiblie par une température excessive. Selon un mode de réalisation recommandé de la présente invention l'épaisseur "t" du revêtement 14 sera comprise entre 0,127 et 0,762 mm. Une autre caractéristique de la présente invention concerne le moyen de refroidissement du bout d'aube 12. Comme représenté, l'aube 10 comporte un passage interne de refroidissement 28 dans lequel on fait circuler un-fluide pour réaliser un refroidissement d'aube. Les moyens de re- froidissement du bout d'aube 12 comportent des canaux 30 qui envoient une partie du fluide de refroidissement provenant du passage 28 dans la paroi d'extrémité 16 et l'évacuent par la surface plane 22. Dans les bouts d'aube de l'art anté- rieur, par exemple ceux connus en tant que "bouts d'aube avec surface de frottement", les régions de la paroi d'ex- trémité sont allongées et généralement trop minces pour contenir un conduit comme dans la présente invention. L'épaisseur minimum "T" entre les passages de refroidisse- ment 28 et l'interface 26 est relativement mince pour tirer avantage du fort refroidissement par convection dans le passage de refroidissement 28. Dans un mode de réalisation recommandé, cette dimension sera comprise entre 1,27 et 1,651 mm. Un autre mode de réalisation de la présente inven- tion est représenté figure 3. Les canaux 30 s'étendent à partir du passage de refroidissement 28 vers la surface extérieure 32 de la paroi d'extrémité 16. De préférence le canal 30 débouchera à partir de la paroi d'extrémité 16 en point juste au-dessous du revêtement 14. Le mode de réalisa- tion représenté figure 3 peut être légèrement moins efficace pour fournir un refroidissement par convection à travers le bout d'aube 12, mais peut présenter une tendance moindre à - 6 - se fermer par l'écrasement pendant les frottements avec la virole. En liaison à nouveau avec le mode de réalisation représenté figure 2, les canaux 30 définissent une direc- tion, représentée par la flèche 34, qui est pratiquement normale à la surface plane 22. Cet angle a pour résultat une concentration des contraintes plus faible à la sortie des conduits que celle représentée dans la figure 3. En fonctionnement, l'aube 10 tourne dans la direc- tion représentée par la flèche 27. A mesure que le bout d'aube 12 vient en contact avec la virole l'entourant, le revêtement abrasif 14 découpera une saignée dans cette viro- le. En même temps, le revêtement abrasif 14 s'usera. A mesu- re que cette usure a lieu, la virole viendra en contact avec la surface concave 24 de manière à produire une composante de charge perpendiculaire sur le revêtement 14 comme repré- senté par la flèche 36. Ainsi la tendance au cisaillement du revêtement 14 sera diminuée. - Il apparaîtra clairement à l'homme de l'art que la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisa- tion spécifiques décrits et représentés ici, pas plus que l'invention n'est limitée aux aubes de turbine ou de com- presseur. Plutôt, l'invention s'applique également à toute aube en rotation par rapport à une surface fixe placée cir- culairement autour d'elle. On notera que les dimensions et les relations proportionnelles et structurelles représentées dans ces dessins le sont à titre d'exemple seulement et que ces re- présentations ne doivent pas être prises comme les dimen- sions réelles ou les relations proportionnelles ou structu- relles utilisées dans le bout d'aube de la présente inven- tion. - 7 REVENDICATIONS 1. Bout d'aube pour une aube de rotor (10) qui peut tourner par rapport à une surface fixe, caractérisé en ce qu'il comporte un revêtement abrasif (14), et en ce que le bout d'aube (12) a un contour qui a pour effet de produi- re une composante de charge perpendiculaire sur le revête- ment (14) si le bout d'aube (12) entre en contact avec la dite surface pendant la rotation. 2. Bout d'aube (12) comportant un revêtement abra- sif (14) pour une (10) aube de rotor ayant une extrémité radialement extérieure (20), caractérisée en ce qu'il com- prend: une paroi d'extrémité (16) s'étendant radialement vers l'extérieur à partir de la périphérie (18) de l'extré- mité extérieure (20); et une surface concave (24) délimitée par la paroi d'extrémité (16) et s'étendant radialement vers l'intérieur à partir de cette paroi. 3. Bout d'aube (12) comportant un revêtement abra- sif (14) pour une aube de rotor (10) comportant une extrémi- té radialement extérieure (20) et un passage interne de fluide (28), caractérisée en ce qu'il comprend: une paroi d'extrémité (16) s'étendant radialement vers l'extérieur à partir de la périphérie (18) de l'extré- mité extérieure (20) et se terminant par une surface généra- lement plane (22), et une surface concave (24) délimitée par la paroi d'extrémité (16) et s'étendant radialement vers l'intérieur à partir de cette paroi. 4. Bout d'aube selon la revendication 3, caracté- risé en ce qu'il comporte en outre: un conduit (30) pour envoyer une partie du fluide provenant du passage (28) à travers la paroi d'extrémité (16). 5. Bout d'aube selon la revendication 3, caracté- risé en ce qu'il comporte en outre un conduit (30) pour envoyer une partie du fluide provenant du passage (28) à travers la surface plane (22). 6. Bout d'aube selon la revendication 5, caracté- risé en ce que le conduit (30) définit une direction (34) qui est pratiquement perpendiculaire à la surface plane (22).