Brevet FR2650338A1 — publié le 19910201

-i 1 2650338 ROTOR, NOTAMMENT POUR COMPRESSEURS OU TURBINES DE GROUPES MOTOPROPULSEURS A TURBINE A GAZ. Il est connu, par exemple dans le cas de compresseurs centrifuges & flux axial, de réaliser l'aubage des roues à aubes mobiles ou des distributeurs & la manière d'aubages dits "à grille tandem", c'est à dire que' l'on prévoit sur une et même roue, à la place d'une grille d'aubes à une seule rangée d'aubes profilées à profil entier, une grille à double rangée d'aubes profilées individuelles, des sections d'écoulement & la manière d'une aile à fente étant laissées libres à chaque fois entre deux aubes profilées individuelles qui se succèdent axialement (voir "Particularités des turbomachines à flux axial", page 406 de l'ouvrage spécialisé "Turbomachines", auteur: Carl Pfleiderer; Hartwig Petermann, 5ème édition, 1986). Dans le cadre de tels concepts de grille, il doit entre autres être possible d'exécuter, par exemple dans le cas de compresseurs, le travail étagé souhaité, avec le moins de pertes possible et avec la plus grande efficience, ces réalisations ne devant par ailleurs nécessiter qu'un encombrement en longueur relativement faible. Par exemple dans le cas de grilles d'aubages directeurs ou tournants de compresseurs, on doit limiter, par rapport à des concepts à aubes profilées à profil entier, la longueur de cheminement de la couche limite d'air autour du profil; par ailleurs, et notamment par une affectation mutuelle correspondante des arêtes d'entrée et de sortie des aubes profilées de grille, la couche limite d'air menacée de décollement sur la face convexe de l'aube (profil entier) doit être accélérée par l'effet dit "effet d'aile à fente". Il ressort de concepts d'ailes (d'avions), mais également de concepts d'aubages directeurs proprement, dits, par exemple dans les diffuseurs pour compresseurs centrifuges à flux radial, de réaliser les secteurs amont et principal considérés d'aubes (ou d'ailes) profilées, de telle sorte qu'ils se chevauchent au niveau de leurs arêtes de sortie et d'entrée, & la manière d'une aile & fente, le cas échéant de manière variable, pour, par exemple dans le cas du compresseur, élargir la largeur du diagramme caractéristique sur l'ensemble du régime de fonctionnement. Les avantages des chevauchements effectifs au moins partiellement locaux, des aubes profilées, consistent, entre autres, à exploiter l'effet d'aile à fente, dans l'esprit d'une déviation d'écoulement avec des pertes encore plus faibles et d'une efficience aérodynamique encore plus élevée. Jusque là, on a éprouvé les plus sérieuses difficultés pour fabriquer en construction monobloc, une grille d'aubes dite grille tandem, avec le disque correspondant, par exemple par usinage mécanique des aubes dans le matériau plein. Rien que par. l'encombrement relativement important nécessité par les outils de fabrication (fraises à queue, fraises sphériques), il a jusqu'à présent pratiquement été impossible de fabriquer en construction monobloc, des roues à grille tandem, notamment en considérant les dimensions relativement petites et l'exécution compacte des éléments de turbomachines dont il est ici question. La fabrication serait d'autant plus compliquée et coûteuse, que l'on souhaiterait exploiter, par exemple pour une "grille tandem d'aubage mobile", le concept, déjà proposé en soi, de "l'effet d'aile à fente" avec un chevauchement local effectif des arêtes des aubes profilées. Le but de l'invention est de proposer un turborotor notamment destiné à des groupes motopropulseurs à turbine à gaz, du type de celui 3 2650338 mentionné en introduction, pour lequel les aubes mobiles d'un étage sont réalisées sous la forme de corps d'aube profilés qui se chevauchent partiellement dans la direction de l'écoulement et qui sont agencés respectivement sous la forme de couronne de corps d'aube profilés, sur les couronnes de roue de corps de rotor reliés entre-eux, turborotor qui, malgré des dimensions relativement réduites et une exploitation optimale de "l'effet d'aile à fente", présente une efficience aérodynamique élevée et puisse être fabriqué de manière relativement simple. Ce but est atteint conformément à l'invention, grâce au fait que les couronnes de roue présentent des faces frontales profilées en surface qui s'emboîtent mutuellement les unes dans les autres par correspondance de forme en créant un blocage périphérique réciproque, en rotation. Ainsi, l'avantage essentiel réside dans le fait de pouvoir fabriquer, à "l'état dissocié", la grille & aubes profilées multiples, sous la forme d'éléments individuels de rotor, à savoir d'éléments individuels de disques; on fabrique donc ainsi de manière totalement individuelle, chaque élément de rotor comprenant les aubes profilées considérées; les aubes profilées individuelles peuvent par exemple être usinées de'manière relativement aisée, dans le matériau plein, et subir un usinage de finition en surface (par exemple rectification) satisfaisant aux exigences effectivement souhaitées; on dispose donc d'une bonne accessibilité par tous les côtés, pour les outils et l'usinage proprement dit; cela est particulièrement avantageux à l'égard de la fente relativement étroite devant rester libre entre deux arêtes d'extrémité d'aubes profilées voisines (effet d'aile à fente). En vue d'obtenir une répartition ainsi qu'une configuration périphérique et une profondeur d'emboîtement correspondantes, de la liaison du type à 4 2650338 rainure et languette, entre autres en relation avec le chevauchement mutuel des arêtes d'extrémité des aubes profilées, nécessaire à l'effet d'aile à fente, la géométrie globale indispensable du profilage est réalisée dans l'optique d'un assemblage et d'un emboîtement aisés des éléments individuels de rotor ou de disque. Ensuite, les éléments individuels peuvent être reliés de manière indémontable (soudage) ou démontable (boulons et flasques); ce dernier mode de liaison présenterait quant à lui, l'avantage de pouvoir procéder à l'échange d'unités de rotor à aubes détériorées ou défectueuses. De préférence, le profilage de surface des faces frontales est configuré, quant à la répartition ou division périphérique et à la profondeur d'emboîtement, de manière à être adapté à l'association mutuelle fixe des corps d'aube profilés, nécessitée fonctionnellement. Les couronnes de roue sont avantageusement, sur leurs faces frontales voisines, profilées en forme de dent, de talon.ou de coin, de manière à s'adapter mutuellement les unes aux autres.- Les arêtes de sortie et d'entrée de deux rangées de-corps d'aube profilés voisins sont agencées pour chacune d'elles sur les dents, talons ou coins en saillie axiale, des couronnes de roue associées. Selon un mode de réalisation, les dents, talons ou coins de deux couronnes de roue voisines sont de largeur différente, mais sont, en soi, respectivement réparties de manière uniforme sur la périphérie. 2650338 De manière avantageuse, sur l'une des couronnes de roue, un seul corps d'aube profilé, avec son arête de sortie, est agencé a chaque fois sur une dent, un talon ou un coin relativement étroit, tandis que sur l'autre couronne de roue, au moins deux corps d'aube profilés, aveq leurs arêtes d'entrée, sont agencés à chaque fois sur une dent, un talon ou un coin relativement large, de telle sorte que le nombre de corps d'aube profilés de cette autre couronne de roue, soit un multiple entier du nombre des corps d'aube profilés de la première couronne de roue, et que, par exemple, seul un corps d'aube profilé sur deux de ladite autre couronne de roue soit associé, à la manière d'une aile à fente, à un corps d'aube profilé de la première couronne de roue. Selon un mode de réalisation, le profilage de surface frontal est formé sur une partie épaulée réalisée sur un côté de l'une des couronnes de roue, partie sur laquelle vient s'emmancher de manière centrée, l'autre couronne de roue, avec une partie adaptée quant à la hauteur et a la profondeur de montage. Par ailleurs, les corps de rotor comprenant les couronnes de roue, font partie intégrante de disques de roue, sur lesquels ladite partie épaulée de l'une des couronnes de roue, se raccorde à un flasque de liaison coudé par rapport à l'axe du rotor, et sur lequel est fixé le çisque comportant l'autre couronne de roue. En outre, le disque de roue avec ladite autre couronne de roue est engagé, avec une partie située sur * 35 le côté opposé à celui portant le profilage de surface, sur une partie épaulée qui y est adaptée quant à la hauteur et à la profondeur de montage et qui est 6 2650338 réalisée sur une partie de paroi de tambour, qui, à partir de la partie épaulée, se raccorde également à un flasque de liaison coudé par rapport à l'axe du rotor, les deux disques de roue, ou tout au moins un premier et un autre disque de roue étant reliés entre-eux de manière démontable, au moyen de boulons les traversant et traversant également les flasques de liaison déjà cités. Il est également possible.de prévoir un soudage du rotor au niveau des couronnes de roue et/ou des flasques. L'invention va maintenant être décrite plus en détail, en regard d'un exemple de réalisation représenté sur les dessins annexés qui montrent: Fig. 1 une coupe axiale d'une partie d'un compresseur centrifuge axial d'un groupe motopropulseur à turbine à gaz, avec une grille tandem d'aubes profilées intégrée au rotor du compresseur et composée de deux disques de roue individuels assemblés de manière démontable, les arêtes d'entrée et de sortie voisines des aubes profilées se chevauchant partiellement à la manière d'une aile A fente, et Fig. 2 une vue de dessus de la grille tandem, selon la flèche Z de la figure 1. L'exemple de réalisation seldn les figures 1 et 2 illustre l'invention dans le cadre d'un aubage mobile dit "aubage mobile en grille tandem", grille qui est intégrée sous la forme de partie constitutive commune assemblée, au rotor ou rotor en forme de tambour du compresseur centrifuge axial considéré. 7 2650338 Conformément & l'invention, le rotor est constitué de plusieurs, dans le cas présent de deux corps de rotor (A,B) comportant chacun une rangée de corps d'aube profilés (1,2)' et des couronnes de roue (5,6) qui présentent, sur leurs faces frontales voisines (3,4) (figure 2), un profilage de surface par l'intermédiaire duquel elles s'emboîtent mutuellement l'une dans l'autre par correspondance de forme en créant un blocage périphérique réciproque, en rotation. Lorsque le montage du rotor est terminé, et que l'emboîtement de liaison est donc réalisé, les arêtes de sortie et d'entrée des corps d'aube profilés (1,2) d'une grille d'aubes mobiles, de géométrie fixe, doivent, vu dans la direction de la hauteur de l'aube, se chevaucher au moins partiellement à la manière d'une aile à fente; ceci est indiqué sur la figure 1 par le repère (S). Ainsi, les arêtes de sortie et d'entrée considérées sont représentées en étant inclinées par rapport à un plan vertical transversal virtuel, et en se' chevauchant vers l'intérieur en direction des bords frontaux respectifs (3,4) correspondants, sur lesquels elles se terminent. Le profilage de surface frontal sur les couronnes de roue (5,6) doit en outre être configuré, quant & la répartition périphérique, c'est & dire notamment quant à la division périphérique (dents, talons, coins ou similaires) et quant à la profondeur d'emboîtement, de manière & être adapté à la géométrie de grille, fixe, des corps d'aube profilés de la grille d'aubes avec chevauchement à la manière d'une aile à fente (S). Les corps de rotor (A,B) avec les corps d'aube profilés (1,2) peuvent constituer partie intégrante d'une grille d'aubage mobile combinée d'une roue mobile, à flux axial, ou diagonal ou radial. 8 2650338 Suivant l'exécution concrète de l'invention, conformément aux figures 1 et 2, les corps de rotor (A,B) comportent les couronnes de roue (5,6) qui, sur leurs faces frontales voisines (3,4), sont profilées de manière à s'adapter mutuellement entre-elles, ici par exemple sous la forme de talon. Il peut également être prévu un profilage en forme de dent ou de coin, ou encore une combinaison mixte de ces modes de profilage. Comme cela ressort notamment de la figure 2, les arêtes de sortie et d'entrée des deux rangées de corps d'aubes profilés voisins (1,2), sont agencées ici, respectivement, sur les talons (7 respectivement 8) en saillie axiale, des couronnes de roue associées (5 respectivement 6). On peut voir, plus particulièrement sur la figure 2, que les talons considérés (7,8) des deux couronnes de roue voisines (5,6), sont de largeur différente, mais sont toutefois, dans le cadre de leur liaison par emboitement mutuel et complémentarité de forme, répartis de manière uniforme sur la périphérie. Par ailleurs, il est particulièrement bien visible sur la figure 2, que sur l'une (5) des couronnes de roue, un seul corps d'aube profilé (1), avec son arête de sortie, est agencé à chaque fois sur un talon (7) relativement étroit; par contre, sur l'autre couronne de roue (6), un ou plusieurs corps d'aube profilés (2,2'), avec son ou leurs arêtes d'entrée, sont agencées à chaque fois sur un talon (8) relativement large; de cette manière, le nombre des corps d'aube profilés (2,2') de ladite autre couronne de roue (6), peut être un multiple entier du nombre de corps d'aube profilés de la première couronne de roue (5), de telle sorte que, par exemple comme ici représenté, seul chaque deuxième corps d'aube profilé (2) de ladite autre couronne de roue (6) soit associé à un corps d'aube profilé (1) de la première couronne de roue (5), & la manière d'une aile à fente (S). Comme cela ressort clairement de la figure 1, la liaison frontale par profilage de surface peut être effectuée sur une partie épaulée (9) réalisée sur un - côté de l'une (5) des couronnes de roue, partie sur laquelle vient s'emmancher de manière centrée, l'autre couronne de roue (6), avec une partie adaptée quant à la hauteur et & la profondeur de montage. Conformément à la figure 1, les corps de rotor (A,B) comportant les couronnes de roue (5,6), font partie intégrante de disques de roue (10,11) , sur lesquels ledit épaulement de. l'une des couronnes.de roue, se raccorde à un flasque de liaison (12) coudé par rapport a l'axe du rotor; sur ce flasque de liaison (12) mentionné en dernier lieu, vient se fixer le disque de roue (11) comportant l'autre couronne de roue (6). Conformément à la figure 1, le disque de roue (11) avec ladite autre couronne de roue (6) correspondante est engagé, sur le côté opposé à celui de la liaison par profilage de surface et avec une partie correspondante, également sur une partie épaulée (13) qui y est adaptée quant à la hauteur et à la profondeur de montage; cette partie épaulée (13) est constituée par une partie de paroi de tambour (14) du rotor, cette dernière se raccordant, à partir de la partie épaulée -(13), à un flasque de liaison (15) également coudé par rapport à l'axe du rotor; les deux disques. dB roue (10,11), -sont par ailleurs et conformément & la figure 1, reliés entre-eux de manière démontable, au moyen de boulons (16) les traversant et traversant-également les flasques (12 et 15). Bien que non représenté sur les figures, les deux corps de rotor peuvent être assemblés de manière mécaniquement indémontable, par soudage au niveau de leurs secteurs de couronnes de roue. Il est en outre possible de souder entre-eux les disques de roue (10,11), au niveau de leurs flasques. Le repère (17) sur la figure 1, concrétise par ailleurs, un assemblage par soudage avec d'autres structures de tambour du rotor de compresseur centrifuge axial. Un procédé de réalisation particulièrement avantageux de l'invention se définit de la manière suivante; on procède tout d'abord à la fabrication individuelle séparée d'au moins deux corps de roue mobile (10,11) pourvus de corps d'aube profilés (1,2) agencés, selon la répartition périphérique souhaitée, sur leurs surfaces de couronnes de roue; à partir de là, on effectue un usinage de surface réciproque d'une face frontale (3,4) de couronne de roue, respectivement avant et arrière, en vue de réaliser la solidarisation des deux roues mobiles ou disques de roues (10,11), grâce à une liaison du type à rainure -et languette permettant d'assurer un blocage périphérique réciproque en rotation, et garantissant un ajustement de centrage; l'usinage de surface effectué est tel que par l'emboîtement axial, qui succède, des couronnes de roues (5,6) avec les disques de roues (10,11), deux rangées respectivement voisines de corps d'aube profilés (1,2) se chevauchent au moins partiellement à la manière d'une aile à fente (S-figure 1) au niveau de leurs arêtes respectives de sortie et d'entrée; ensuite, et comme cela a déjà été décrit, les disques de roue (10,11) peuvent être assemblés de manière mécaniquement démontable, ou bien être assemblés de manière indémontable, par soudage. Sur les figures 1 et 2, on peut par ailleurs voir que la liaison surfacique considérée, qui dans le sens le plus large peut également être définie comme liaison du type & rainure et languette, et comprenant les faces frontales profilées, par exemple sous la forme de talon, occupe, & l'état monté, un encombrement, notamment axial, relativement faible. Cela fait également partie intégrante de l'invention et présente l'avantage que des différences de dilatation thermique au niveau des couronnes de roue, ou bien également des faibles contraintes dûes par exemple à des forces centrifuges, peuvent être compensées, sans entraver l'ajustement fixe, adapté & l'aubage, des disques des couronnes de roue. Par le fait que selon l'invention, l'emboîtement réciproque du profilage de surface formé sur les faces frontales (3,4) des couronnes de roue (5,6) , soit réalisé sur une partie épaulée périphérique (9), on crée simultanément un ajustement coaxial de centrage lors de l'emboîtement des couronnes de roue (5,6). Conformément à l'invention, on réalise ainsi. une combinaison avantageuse d'un blocage périphérique réciproque, en rotation, au niveau de la zone de liaison considérée. Par ailleurs, le repère (17') sur la figure 1, désigne un corps extérieur du compresseur centrifuge axial, sur lequel sont fixés des aubages directeurs (18) et (19). En outre, les corps d'aube profilés (1,2 ou 2') déjà mentionnés et décrits sur les figures.1 et 2, sont réalisés sans coiffe à leur pointe, de telle sorte que les extrémités libres extérieures considérées des aubes, sont agencées de manière & ne laisser subsister que des fentes radiales minimales par rapport & un revêtement de protection contre le frottement des aubes (20), du corps de compresseur (17'). REVENDICATIONS. 1. Turborotor, notamment destiné à des groupes motopropulseurs à turbine à gaz, pour lequel les aubes mobiles d'un étage sont réalisées sous la forme de corps d'aube profilés (1,2) qui se chevauchent partiellement dans la direction de l'écoulement et qui sont agencés respectivement sous la forme de couronne de corps d'aube profilés, sur les couronnes de roue (5,6) de corps de rotor (A,B) reliés entre-eux, caractérisé en ce que les couronnes de roue (5,6) présentent des faces frontales profilées en surface qui s'emboîtent mutuellement les unes dans les autres par correspondance de forme en créant un blocage périphérique réciproque, en rotation. 2. Rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce que le profilage de surface des faces frontales est configuré, quant à la répartition ou division périphérique et à la profondeur d'emboîtement, de manière à être adapté à l'association mutuelle fixe des corps d'aube profilés (1,2), nécessitée fonctionnellement. 3. Rotor selon la revendication 2, caractérisé en ce que les couronnes de roue (5,6) sont, sur leurs faces frontales voisines (3,4), profilées en forme de dent, de talon ou de coin, de manière à s'adapter mutuellement les unes aux autres. 4. Rotor selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les arêtes de sortie et d'entrée de deux rangées de corps d'aube profiles voisins (1,2) sont agencées pour chacune d'elles sur les dents, talons ou coins en saillie axiale, des couronnes de roue associées. 5. Rotor selon la revendication 4, caractérisé en ce que les dents, talons (7,8) ou coins de deux couronnes de roue voisines (5,6) sont de largeur différente, mais sont, en soi, respectivement réparties de manière uniforme sur la périphérie. 6. Rotor selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que sur l'une des couronnes de roue (5), un seul corps d'aube profilé (1), avec son arête de sortie, est agencé à chaque fois sur une dent, un talon (7) ou un coin, relativement étroit, tandis que sur l'autre couronne de roue (6), au moins deux corps d'aube profilés (2,2'), avec leurs arêtes d'entrée, sont agencés à chaque fois sur une dent, un talon (8) ou un coin, relativement large, de telle sorte que le nombre de corps d'aube profilés (2,2') de cette autre couronne de roue (6) , soit un multiple entier du nombre des corps d'aube profilés (1) de la. première couronne de roue (5), et que, par exemple, seul un corps d'aube profilé (2) sur deux de l'autre couronne de roue (6) soit associé, & la manière d'une aile à fente (S), à un corps d'aube profilé (1) de la première couronne de roue (5). 7. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le profilage de surface, frontal, est formé sur une partie épaulée (9) réalisée sur -un côté de, l'une (5) des couronnes de roue, partie sur laquelle vient s'emmancher de manière centrée, l'autre couronne de roue (6), avec une partie adaptée quant à la hauteur et à la profondeur de montage. 8. Rotor selon la revendication 7, caractérisé en ce que les corps de rotor (A,B) comprenant les couronnes de roue (5,6), font partie intégrante de disques de roue (10,11), sur lesquels 14 2650338 ladite partie épaulée (9) de l'une (5) des couronnes de roue, se raccorde & un flasque de liaison (12) coudé par rapport à l'axe du rotor, et sur lequel est fixé le disque (11) comportant l'autre couronne de roue (6). 9. Rotor selon la revendication 7, caractérisé en ce que le disque de roue (11) avec ladite autre couronne de roue (6) est engagé, avec une partie située sur le côté opposé à celui portant le profilage de surface, sur une partie épaulée (13) qui y est adaptée quant & la hauteur et à la profondeur de montage et qui est réalisée sur une partie de paroi de tambour (14), qui, à partir de la partie épaulée (13), se raccorde également à un flasque de liaison (15) coudé par rapport à l'axe du rotor, les deux disques de roue (10,11), ou tout au moins un premier et un autre disque de roue étant reliés entre-eux de manière démontable, au moyen de boulons (16) les traversant et traversant également les flasques de liaison (12,15). 10. Rotor selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il est prévu un soudage du rotor au niveau des couronnes de roue et/ou des flasques.