Brevet FR2640701A1 — publié le 19900622

"Roue mobile de compresseur" L'invention concerne une roue mobile de com- presseur comportant un certain nombre d'aubes répar- ties sur sa périphérie. Dans les turbo-propulseurs, l'interstice d'étanchéité entre les aubes en rotation et le carter fixe du turbo-propulseur, représente une grandeur dont l'influence est d'une importance considérable pour le rendement du turbo-propulseur. Il est donc important de maintenir cet interstice d'étanchéité à une dimen- sion aussi réduite que possible, ce qui révèle être extrêmement difficile en raison des sollicitations thermiques et centrifuges et des dilatations sur les aubes. Pour minimiser l'interstice d'étanchéité, il est connu de munir les turbines d'une bande externe de recouvrement de façon à empêcher que le flux contourne directement des extrémités des aubes. Toutefois, de telles bandes de recouvrement externes ne peuvent pas être fabriquées en une seule pièce, car les résistan- ces mécaniques des matériaux actuellement disponibles ne sont pas suffisantes pour supporter les contraintes intervenant sur ces bandes. En conséquence, ces bandes de recouvrement sont constituées de plusieurs parties, le nombre de ces parties correspondant au nombre des aubes d'un étage, et ces parties étant conformées sur les extrémités des aubes. Une telle construction n'est toutefois pas possible dans le domaine des compresseurs, car le rendement des compresseurs à l'opposé de celui des turbines, dépend, d'une façon tout à fait importante de ce que les aubes doivent être beaucoup plus minces et doivent comporter un bombement plus réduit ainsi que des bords avant et arrière effilés. Il n'est en conséquence pas possible, pour des raisons de résis- tance mécanique, de façonner ou de rapporter à l'exté- rieur de la roue des bandes de recouvrement consti- tuées de parties individuelles. Une bande de recouvrement fermée pose à son tour des problèmes, car en cours de fonctionnement, les dilatations du disque du compresseur des différen- tes aubes et de la bande de recouvrement, peuvent se gêner réciproquement et les contraintes en résultant deviennent extrêmement importantes sur la liaison ban- de de recouvrement/aubes dans certaines conditions de fonctionnement. Du fait des contraintes centrifuges venant se superposer, ainsi que des contraintes ther- miques qui se produisent pour les températures élevées, jusqu'à 600'C, apparaissant lors du fonction- nement des compresseurs modernes, il est jusqu'à maintenant impossible de réaliser de telles bandes de recouvrement d'une seule pièce. Le but de la présente invention est de créer une bande de recouvrement d'un seul tenant pour une roue mobile de compresseur, qui puisse être montée à sans que les contraintes différentes des parties cons- titutives se gênent réciproquement et de façon que la bande de recouvrement puisse en même temps être cen- trée sur la roue. Il faut en outre qu'un interstice d'étanchéité aussi réduit que possible puisse être obtenu entre la bande de recouvrement et le carter du compresseur. Conformément à l'invention, ce but est atteint en ce qu'une bande de recouvrement annulaire est rapportée sur les extrémités des aubes et en ce que chaque extrémité d'aube est logée à coulissement dans un bloc de guidage, ces blocs de guidage étant fixés sur la face interne de la bande de recouvrement réalisée de façon auto-porteuse. L'avantage de cette disposition réside en ce que la bande de recouvrement est reliée à la roue du compresseur à la façon d'un centrage radial. Les extensions du disque du compresseur et des aubes, du fait des efforts centrifuges et des températures, se traduisent par un déplacement radial des extrémités des aubes dans leur bloc de guidage. En même temps, la bande de recouvrement réalisée de façon auto-porteuse, n'est pas influencée par ces extensions. Ces exten- sions du disque du compresseur et des aubes mobiles n'ont ainsi aucune influence sur l'interstice d'étan- chéité entre la bande de recouvrement et le carter du compresseur. Cet interstice est principalement influencé par la dilatation de la bande de recouvrement et par des dilatations du carter. Grâce à un choix approprié des matériaux, la dilatation de la bande de recouvre- ment peut être avantageusement maintenue à une valeur réduite et simultanément, la dilatation thermique du carter peut être accordée à celle de la bande de recouvrement, par exemple par refroidissement par le choix des matériaux ou bien par des dispositifs méca- niques, de pression. La réduction de l'interstice d'étanchéité est ainsi susceptible d'être accordée exclusivement aux propriétés des matériaux de la bande de recouvrement, tandis qu'il n'y a pas lieu de tenir compte des influences des parties constitutives rota- tives restantes. A côté de l'amélioration de l'interstice d'étanchéité, il est en outre avantageux que les vibrations des aubes puissent être notablement rédui- tes (amortissement élevé) et que la résistance vis à vis de l'impact de corps étrangers puisse être nota- blement augmentée. En outre, l'arrachement de la lame d'aube en fonctionnement peut être empêché. Ainsi, l'angle d'échelonnement des aubes reste avantageuse- ment inchangé sur la totalité du domaine de vitesses. Selon un complément avantageux de l'inven- tion, les extrémités des aubes sont élargies pour former des surfaces de guidage permettant leur coopé- ration avec les blocs de guidage. De ce fait, les surfaces de guidage peuvent être réalisées et usinées de façon précise. Ces surfaces de guidage sont, en outre, munies d'un revêtement empêchant la corrosion par friction, grace à quoi le risque de corrosion peut être réduit. Comme revêtement, conviennent notamment des revêtements en carbure de tungstène, en carbure de titane, ou bien en nitrure de titane. Selon un complément avantageux de l'inven- tion il est prévu, dans les parties intermédiaires entre deux blocs de guidage voisins, des pièces de remplissage qui sont adaptées aérodynamiquement aux contours des aubes et des blocs de guidage. Ces pièces de remplissage, reliées de préférence à la bande de recouvrement par interpénétration des formes, sont réalisées en un matériau de faible densité, grâce à quoi le poids total du dispositif peut être considéra- blement abaissé sans que l'on ait à s'accommoder d'une réduction de la résistance mécanique. La mousse de titane convient notamment comme matériau pour ces pièces de remplissage, car ce matériau a une faible densité pour une résistance mécanique et une rigidité élevées à haute température. Une autre réalisation avantageuse de l'in- vention prévoit que l'espace creux à l'intérieur de chaque bloc de guidage entre la bande de recouvrement et l'extrémité de l'aube est en communication avec l'espace en aval de la roue de compresseur, par l'in- termédiaire d'un ou plusieurs perçages. De cette façon, la souillure du guidage coulissant entre l'ex- trémité de l'aube et le bloc de guidage est empêchée, car l'air peut pénétrer dans l'espace creux par le perçage à partir de la zone de pression plus élevée située en aval de l'aube du compresseur. Les fuites d'air sur les surfaces coulissantes entraînent ainsi les particules d'impuretés ou bien empêchent une péné- tration de ces particules entre ces surfaces. Une réalisation préférée de l'invention prévoit que le matériau de la bande de recouvrement est un métal renforcé par des fibres, notamment de fibres de carbure de silicium avec une matrice de titane et d'aluminium. De tels matériaux possèdent une résistance mécanique extraordinairement élevée et ils sont, en outre, si résistant à la chaleur qu'ils peu- vent être mis en oeuvre pour les températures régnant dans le domaine des compresseurs et allant jusqu'à environ 600'C (pour une matrice en titane). En outre, ces matériaux ont un coefficient d'élasticité très élevé, grâce à quoi les allongements induits par les efforts centrifuges peuvent être réduits à un minimum. L'interstice d'étanchéité peut ainsi être maintenu à peu près constant même pour diverses conditions de fonctionnement, notamment pour diverses vitesses de rotation. Selon une autre disposition avantageuse, la bande de recouvrement comporte au moins une nervure d'étanchéité s'étendant en direction périphérique, de sorte que l'interstice d'étanchéité se situe entre cette nervure d'étanchéité et le carter externe du canal d'écoulement. Cette disposition en principe connue, permet un réglage défini de l'interstice d'étanchéité par usinage de petites surfaces. Dans le cas de deux ou plusieurs nervures d'étanchéité de ce type, des phénomènes aérodynamiques tels que des tour- billons ou analogues, contribuent à une réduction de l'écoulement par l'interstice. Normalement, deux nervures d'étanchéité de ce type, doivent être rapportées axialement l'une der- rière l'autre sur la bande de recouvrement, car ainsi l'effet d'étanchéité est augmenté par rapport à une nervure d'étanchéité unique. La nervure d'étanchéité et les nervures d'étanchéité est ou sont alors consti- tuées par les matériaux de la matrice, et ceci de façon que grâce à un procédé de fabrication approprié de la bande de recouvrement, on veille à ce que la zone de la nervure d'étanchéité à réaliser reste libre de matériaux fibreux, de sorte que cette zone, lors de la coulée du matériau de la matrice, soit exclusive- ment remplie avec celui-ci. Pour obtenir une adhérence suffisante entre les nervures d'étanchéité et la bande de recouvrement, les nervures d'étanchéité sont munies en section transversale d'une large base dans la zone o se terminent les fibres. Ainsi on obtient une liaison suffisante du métal de la matrice entre les fibres, avec le métal de la nervure d'étanchéité. En direction radiale vers l'extérieur, c'est-à-dire en direction de l'interstice d'étanchéité "d", la nervure d'étanchéité se réduit de façon surproportionnelle, ce qui est souhaitable en ce qui concerne les contraintes dues aux efforts centrifuges. De ce fait, la masse de la nervure d'étanchéité est diminuée. Une telle réalisa- tion présente l'avantage qu'une opération de répara- tion en rechargeant par soudage la nervure d'étanchéi- té, peut être effectuée d'une façon simple et économi- que. En variante, il est également possible de réali- ser complètement les nervures d'étanchéité en matériau renforcé par des fibres. En variante par rapport à la réalisation décrite, ci-dessus, les blocs de guidage peuvent être élargis en direction périphérique dans une mesure telle qu'ils viennent bout à bout les uns des autres, et que les pièces de remplissage ne soient plus néces- saires. Une telle réalisation d'une technique de fabrication plus simple, sera alors avantageuse lors- gue des métaux renforcés par des fibres et ayant une résistance métallique suffisante, pourront être mis en oeuvre. Pour la fabrication d'une bande de recouvre- ment conforme à l'invention, les blocs de guidage sont tout d'abord mis en place sur les extrémités des aubes mobiles. Ensuite, la bande de recouvrement avec les pièces de remplissage est enfilée sur la roue du com- presseur. Dans la dernière étape, la roue du compres- seur et la bande de recouvrement sont centrées l'une par rapport à l'autre dans un dispositif, les blocs de guidage sont déplacés radialement vers l'extérieur, et dans cette position, ils sont reliés à la bande de recouvrement par liaison des matériaux, notamment par brasage, liaison par diffusion ou par serrage. Les roues de compresseurs peuvent être réalisées aussi bien selon le mode de construction Blisk (aubes et disque) qu'en type de construction avec des aubes individuelles. Dans cette dernière réalisation, les aubes, comme cela est connu, peuvent être mises en place, soit dans des gorges périphéri- ques, soit dans des gorges individuelles. Dans le cas du mode de construction avec des gorges individuelles, les blocs de guidage peuvent être déjà reliés avant le montage à la bande de recouvrement par interpénétra- tion de formes, ou bien être déjà des parties consti- tutives de la bande de recouvrement. Lors du montage, les aubes mobiles sont alors, tout d'abord, mises en place dans les blocs de guidage de la bande de recou- vrement. Ensuite, le jeu d'aubes complet est introduit dans les gorges des disques du compresseur. Un autre avantage de l'invention, en combi- naison avec des ailettes de ventilateur, réside en ce que les pertes aérodynamiques peuvent être réduites du fait que les renflements gênants sont supprimés. L'invention va être exposée plus en détail ci-après à l'aide des dessins ci-joints. - la figure 1 est une coupe longitudinale d'une roue de compresseur d'un seul tenant, - la figure 2 est un extrait à plus grande échelle de la figure 1, - la figure 3 est une coupe transversale schématique de la bande de recouvrement selon la ligne III-III de la figure 1, - la figure 4 est une vue intérieure schéma- tique dans le sens radial de la bande de recouvrement, - la figure 5a est une vue schématique d'un bloc de guidage, - la figure 5b est une vue schématique d'une variante d'un bloc de guidage. Sur la coupe longitudinale de la roue de compresseur 1, représentée sur la figure 1, on peut voir un disque de roue 2 sur la périphérie externe duquel sont rapportées des aubes de compresseur 3 uni- formément réparties. L'aube 3 représentée, comporte une extrémité d'aube 4 qui est légèrement élargie pour permettre la formation d'une surface de guidage péri- phérique 5. Cette surface de guidage 5 est disposée à glissement dans un ajour 16, réalisé d'une façon adap- tée dans un bloc de guidage 6. Ce bloc de guidage 6 est fixé & la bande de recouvrement annulaire 7. Il subsiste alors entre l'extrémité 4 de l'aube et la bande de recouvrement 7, un espace creux 8 dont l'im- portance dépend de l'état de fonctionnement. Sur la figure 2, la zone de l'extrémité 4 de l'aube est représentée à plus grande échelle. A côté des éléments déjà représentés précédemment, on peut voir que le bloc de guidage 6, au voisinage du bord arrière 9 de l'aube, comporte un perçage 10 au moyen duquel l'espace creux 8 communique avec externe 11 en aval de l'aube 3. La bande de recouvrement 7 est munie, sur sa périphérie externe, de deux nervures d'étanchéité périphériques 12, 13, qui en coopération avec le carter externe 14 du canal d'écoulement, définissent des interstices d'étanchéité "d". Les nervures d'étanchéité 12 et 13 sont réalisées sans fibres, c'est-à-dire qu'elles sont uni- quement constituées par les matériaux de la matrice. Dans ce cas, les nervures d'étanchéité 12, 13 ne sont pas des parties constitutives séparées, mais elles sont réalisées conjointement avec la bande de recou- vrement 7, le matériau fibreux se terminant en direc- tion radiale vers l'extérieur, au voisinage des lignes 17. Les nervures d'étanchéité 12, 13 constituent ainsi avec la bande de recouvrement 7, une partie constitu- tive réalisée d'un seul tenant. Sur la figure 3 est représentée une coupe transversale selon la ligne IIIIII de la figure 1 de l'anneau d'étanchéité 7. Il est représenté schémati- quement sur cette figure plusieurs aubes 3 gui sont logées de façon à pouvoir coulisser dans les blocs de guidage 6. Dans les espaces intermédiaires entre les différents blocs de guidage 6, il est prévu des pièces de remplissage 15 qui sont reliées à la bande de recouvrement 7. Ces pièces de remplissage 15 sont en outre conformées de façon qu'elles soient adaptées aérodynamiquement à la forme des blocs de guidage 6 ou bien de la bande de recouvrement 7, et qu'ainsi elles n'opposent qu'une résistance aussi réduite que possi- ble à l'écoulement. La figure 4 est une vue de la bande de recouvrement 7 dans le sens radial à partir de l'inté- rieur, sur laquelle on remarque les ajours 16, adaptés aux contours des aubes réalisés dans les blocs de guidage 6. On peut voir, en outre, sur cette figure, les pièces de remplissage 15 disposées dans les espa- ces formés entre les différents blocs de guidage 6. Les figures 5a et 5b montrent deux variantes de réalisation des ajours 16. La réalisation de la figure 5a comporte un ajour 16a qui est adapté de façon à peu près précise au contour d'une aube 3 du compresseur. La figure 5b montre, par contre, la réalisation d'un ajour 16b revêtant à peu près la forme d'une boutonnière, qui est plus simple à fabri- quer, et donc plus économique, que l'ajour 16a selon la figure 5a. Dans cette seconde réalisation, les extrémités 4 des aubes (figure 1) doivent être confor- mées de façon correspondante, c'est-à-dire que leurs surfaces de guidage 5 doivent être adaptées aux contours des ajours 16b. REVENDICATIONS 1.- Roue mobile de compresseur comportant un certain nombre d'aubes réparties sur sa périphérie, roue caractérisée en ce qu'une bande de recouvrement annulaire est rapportée sur les extrémités des aubes et en ce que chaque extrémité d'aube (4) est logée à coulissement dans un bloc de guidage (6), ces blocs de guidage (6) étant fixés sur la face interne de la ban- de de recouvrement (7) réalisée de façon à ce qu'elle soit auto-porteuse. 2.- Roue selon la revendication 1, caracté- risée en ce que les extrémités des aubes (4) sont élargies afin de former des surfaces de guidage (5) coopérant avec les blocs de guidage (6). 3.- Roue selon la revendication 2, caracté- risée en ce que les surfaces de guidage (5) des extré- mités (4) des aubes sont garnies d'un revêtement empê- chant la corrosion par frottement. 4.- Roue selon la revendication 3, caracté- risée en ce que le revêtement est réalisé avec du carbure de tungstène, du carbure du titane ou bien du nitrure de titane. 5.- Roue selon la revendication 1, caracté- risée en ce que les extrémités (4) des aubes pénètrent & l'intérieur des blocs de guidage (6) dans une mesure telle que dans toutes les conditions de fonctionne- ment, un espace creux (8) subsiste entre la bande de recouvrement (7) et les extrémités (4) des aubes. 6.- Roue selon la revendication 1, caracté- risée en ce que entre les blocs de guidage (6) voisins, il est prévu des pièces de remplissage (15) adaptées aérodynamiquement aux contours des aubes et des blocs de guidage. 7.- Roue selon la revendication 6, caracté- risée en ce que le matériau des pièces de remplissage (15) a une faible densité. 8.- Roue selon la revendication 7, caracté- risée en ce que le matériau des pièces de remplissage (15) est de la mousse de titane. 9.- Roue selon la revendication 6, caracté- risée en ce que l'espace creux (8) à l'intérieur de chaque bloc de guidage (6) est relié par l'intermé- diaire d'au moins un perçage (10) avec l'espace (11) situé en aval de la roue (1). 10.- Roue selon la revendication 1, caracté- risée en ce que le matériau de la bande de recouvre- ment (7) est un métal renforcé par des fibres. 11.- Roue selon la revendication 10, carac- térisée en ce que le matériau de la bande de recouvre- ment (7) est constitué par des fibres de carbure de silicium avec une matrice de titane et/ou d'aluminium. 12.- Roue selon la revendication 1, caracté- risée en ce que le matériau des blocs de guidage (6) est un alliage à base de titane ou d'aluminium. 13.- Roue selon la revendication 1, caracté- risée en ce que la bande de recouvrement (7) comporte au moins une nervure d'étanchéité (12) s'étendant en direction périphérique, de sorte que l'interstice d'étanchéité "d" se trouve entre la nervure d'étan- chéité (12) et le carter externe (14) du canal d'écou- lement. 14.- Roue selon la revendication 13, carac- térisée en ce que la nervure d'étanchéité ou les nervures d'étanchéité (12) sont constituées par le matériau de la matrice. 15.- Roue selon l'une quelconque des reven- dications 13 ou 14, caractérisée en ce que la nervure d'étanchéité ou les nervures d'étanchéité se rétrécis sent fortement de façon surproportionnelle en direc- tion de l'interstice d'étanchéité "d" à partir d'une large base dans la zone o se terminent les fibres.