Brevet FR2681094A1 — publié le 19930312

Roue a aubes en trois parties La présente invention se rapporte à une roue à aubes en trois parties centrées sur un axe commun, savoir une partie centrale, comportant des aubes périphériques, et deux flasques latéraux, prenant en sandwich la partie centrale sous l'effet de moyens de serrage axial, les faces des flasques et de la partie centrale en application mutuelle comportant des crantages complémentaires assurant l'accrochage des flasques sur la partie centrale vis-à-vis des efforts centrifuges auxquels celle-ci est soumise lorsque la roue est mise en rotation. On connaît des roues à aubes de ce genre, destinées à des turbines ou à des turbopompes, dans lesquelles la partie centrale est constituée par une succession d'aubes métalliques montées et fixées entre les flasques soit individuellement, soit par groupes. Une telle structure permet de réaliser ces parties distinctes en matériaux différents, adaptés aux conditions et contraintes de fonctionnement particulières de chacune d'elles. Toutefois, la réalisation de l'aubage en éléments séparés nécessite des moyens de fixation relativement lourds et compliqués, qui ne procurent cependant pas une grande précision de positionnement de chacune des aubes. En outre, le choix d'un métal pour celles-ci conduit à une masse périphérique importante, ce qui limite les performances en vitesse des roues à aubes. De plus, la technologie des aubes rapportées se heurte à l'impossibilité d'insérer un nombre important d'aubes sur une roue de petit diamètre. Afin de remédier à ces inconvénients, il est proposé selon l'invention de constituer la partie centrale par un disque en matériau composite d'un seul tenant, dans la périphérie duquel sont usinées les aubes. Ainsi, la partie centrale étant réalisée sous la forme d'un disque monobloc incorporant les aubes, tous dispositifs d'accrochage de celles-ci aux flasques deviennent inutiles. I1 en résulte un allègement de la roue à aubes, à quoi contribue le fait que le disque est en matériau composite, susceptible d'offrir une faible densité ainsi qu'une bonne tenue aux températures élevées, tandis que la tendance à la déformation qu'un tel matériau peut comporter est palliée par la présence des flasques qui assurent au disque un ferme maintien. Les flasques peuvent quant à eux être réalisés en métal ou en matériau composite. Dans ce dernier cas, il convient de choisir un matériau autre que celui du disque, vu les contraintes très différentes auxquelles ces éléments sont soumis. De préférence, les faces du disque sont légèrement coniques, l'épaisseur de celui-ci croissant progressivement de la périphérie vers l'axe, tandis que les faces conjuguées des flasques ont une forme conique concave complémentaire. Suivant cette disposition, le disque est plus épais dans sa région centrale où le niveau de contraintes est le plus élevé. Avantageusement, les crantages que comportent les faces des flasques et du disque sont constitués par des nervures et des rainures complémentaires formées par des sillons entourant l'axe de la roue, lesquels peuvent être des sillons circulaires disposés concentriquement autour de l'axe de la roue ou des sillons en forme de spirale centrée sur l'axe de la roue. Ces derniers sillons sont plus faciles à réaliser et assurent une meilleure transmission du couple de rotation entre disque central et flasque. Dans une forme de réalisation préférée, les nervures et les rainures formées par les sillons présentent des flancs obliques par rapport à la direction de l'axe de la roue. Plus particulièrement, il convient que les flancs des nervures des flasques qui sont tournés vers l'axe de la roue et les flancs des nervures du disque qui sont tournés vers l'extérieur et coopèrent avec les flancs précités fassent avec ledit axe un angle inférieur à celui que font les autres flancs desdites nervures. La reprise par les flasques des contraintes de force centrifuge régnant dans le disque central est favorisée par une telle disposition. Par ailleurs, il est avantageux que les sillons soient conformés de façon que, avant serrage des flasques appliqués contre le disque, seuls les flancs des nervures des flasques qui sont tournés vers l'axe de la roue soient en contact avec les flancs conjugués des nervures du disque qui sont tournés vers l'extérieur. I1 en résulte, lors du serrage des flasques contre le disque central, l'application à celui-ci d'une précontrainte centripète, qui procure un effet de frettage s'opposant à tout déplacement radial sous l'action des forces centrifuges. Lorsque les sillons sont en forme de spirale, il est préférable qu'ils s'enroulent tous dans le même sens autour de l'axe de la roue après assemblage des trois parties constitutives de celle-ci. Ainsi, en choisissant convenablement ce sens, on obtient, en cas d'augmentation du couple entre disque à aubes et flasques, un effet favorable de resserrage renforçant la liaison entre ces éléments. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, en regard des dessins annexés, d'un exemple de réalisation non limitatif. La figure 1 représente, en coupe axiale, une roue à aubes selon l'invention. Les figures 2 et 3 représentent, respectivement en coupe axiale et en perpective, les trois parties de la roue à aubes avant leur assemblage. Les figures 4 et 5 représentent en élévation, à plus petite échelle, les faces d'appui mutuel respectivement de l'un des flasques et de l'une des faces du disque central de la roue à aubes de la figure 1. La figure 6 représente, en coupe axiale et à échelle agrandie, une portion des sillons d'accouplement de l'un des flasques et du disque central de la roue à aubes de la figure 1. On voit sur la figure 1 une roue de turbine 1 composée de trois parties accolées : un disque central 2 et deux flasques latéraux 3, 4 appliqués de part et d'autre contre les faces du disque 2, lequel comporte à sa périphérie des aubes 5 taillées dans la masse. Ces trois pièces 2, 3, 4, de contour circulaire, admettent un même axe de révolution 6 et comportent respectivement un alésage central 20, 30, 40 de même diamètre permettant le passage d'un arbre d'entraînement (non représenté) supportant la roue de turbine. Les figures 2 et 3 montrent ces trois pièces non encore réunies, mais déjà alignées sur leur axe commun 6. Le disque 2 est réalisé en matériau composite, avec une épaisseur plus grande dans sa région centrale, comme on peut le voir en particulier sur la figure 2. Ainsi, ses faces 23, 24 ne sont pas planes, mais offrent une certaine convexité en forme de cône très applati (son demi-angle au sommet étant par exemple égal à 860). Les flasques 3, 4, dont les faces conjuguées 32 et 42 présentent une concavité complémentaire, ont une forme générale tronconique pour offrir une robustesse optimale. Ils peuvent être réalisés en différentes matières, par exemple en métal ou en matériau composite, dont le choix doit respecter toutefois certaines conditions. I1 convient en effet que les flasques présentent un module d'Young supérieur à celui du disque 2 et un coefficient de dilatation thermique voisin de celui de ce dernier. Les faces 32, 23, 24, 42 par lesquelles les trois pièces 2, 3, 4 viennent, après assemblage, en appui mutuel sont pressées l'une contre l'autre par un organe de serrage axial non représenté, tel qu'un système à vis et écrous ou à piston hydraulique, afin d'assurer la cohésion de la roue de turbine 1. Par ailleurs, pour assurer le maintien du disque 2 soumis en rotation à d'importants efforts dus à la force centrifuge, les flasques 3, 4 s'accrochent aux faces 23, 24 du disque grâce à des sillons complémentaires 11, 12 que comportent ces faces et les faces 32, 42 des flasques. Ces sillons, en forme de spirale centrée sur l'axe 6 (figures 4 et 5), font apparaître des nervures 7 et des rainures 8 séparant celles-ci, qui s'emboîtent les unes dans les autres et assurent la reprise, par les flasques 3, 4, des efforts centrifuges dont le disque 2 est le siège en rotation. Comme le montre la figure 6, les sillons ont une section droite en forme de V dissymétrique, chaque nervure 7 comportant un flanc 7a peu incliné par rapport à l'axe 6, et un flanc 7b très incliné, les angles d'inclinaison respectifs a, b étant par exemple de 350 et 700. Les flancs 7a des sillons 11 de chaque flasque 3, 4, dits "flancs amont", sont tournés vers l'axe 6 de façon à entourer extérieurement les flancs 7a du sillon 12 correspondant du disque 2 afin de leur offrir un ferme appui lorsque ce dernier est soumis à des efforts centrifuges. Pour améliorer le maintien du disque 2, il est prévu en outre, comme on peut le voir sur la figure 6, que, lors de l'application de chaque flasque contre le disque 2, les sillons 11, 12 venant s'emboîter mutuellement, les surfaces de portée sont constituées par les seuls flancs amont 7a, tandis qu'un petit intervalle demeure entre les flancs 7b dits "flancs aval". I1 en résulte que, à la réalisation du serrage axial des flasques contre le disque, les flancs 7a du sillon 11 de chaque flasque tendent à repousser vers l'axe 6 les flancs 7a du sillon 12 correspondant du disque 2, ce qui crée une précontrainte centripète dans le disque 2 augmentant la tenue de celui-ci face aux forces qui s'y développent lorsque la roue à aubes est mise sur rotation, ce qui peut être réalisé par l'intermédiaire soit d'une couronne dentée conique 13 que comporte l'un des flasques, soit d'une cannelure (non représentée) prévue dans l'alésage 30, 40 de l'un de ceux-ci. Revendications 1. Roue à aubes en trois parties centrées sur un axe commun, savoir une partie centrale, comportant des aubes périphériques, et deux flasques latéraux, prenant en sandwich la partie centrale sous l'effet de moyens de serrage axial, les faces des flasques et de la partie centrale en application mutuelle comportant des crantages complémentaires assurant l'accrochage des flasques sur la partie centrale vis-à-vis des efforts centrifuges auxquels celle-ci est soumise lorsque la roue est mise en rotation, caractérisée par le fait que la partie centrale est constituée par un disque (2) en matériau composite d'un seul tenant, dans la périphérie duquel sont usinées les aubes (5). 2. Roue à aubes selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les flasques (3, 4) sont en métal. 3. Roue à aubes selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les flasques (3, 4) sont en matériau composite. 4. Roue à aubes selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que les faces (23, 24) du disque (2) sont légèrement coniques, l'épaisseur de celui-ci croissant progressivement de la périphérie vers l'axe (6), tandis que les faces conjuguées (32, 42) des flasques (3, 4) ont une forme conique concave complémentaire. 5. Roue à aubes selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que les crantages que comportent les faces (32, 23, 24, 42) des flasques (3, 4) et du disque (2) sont constitués par des nervures (7) et des rainures (8) complémentaires formées par des sillons (11, 12) entourant l'axe (6) de la roue. 6. Roue à aubes selon la revendication 5, caractérisée par le fait que les sillons (11, 12) sont des sillons circulaires disposés concentriquement autour de l'axe (6) de la roue. 7. Roue à aubes selon la revendication 5, caractérisée par le fait que les sillons (11, 12) sont en forme de spirale centrée sur l'axe (6) de la roue. 8. Roue à aubes selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée par le fait que les nervures (7) et les rainures (8) formées par les sillons (11, 12) présentent des flancs obliques par rapport à la direction de l'axe de la roue. 9. Roue à aubes selon la revendication 8, caractérisée par le fait que les flancs (7a) des nervures (7) des flasques (3, 4) qui sont tournés vers l'axe (6) de la roue et les flancs des nervures (7) du disque (2) qui sont tournés vers l'extérieur et coopèrent avec les flancs précités font avec ledit axe un angle (a) inférieur à l'angle (b) que font les autres flancs desdites nervures. 10. Roue à aubes selon la revendication 8 ou 9, caractérisée par le fait que les sillons (11, 12) sont conformés de façon que, avant serrage des flasques (3, 4) appliqués contre le disque (2), seuls les flancs (7a) des nervures (7) des flasques qui sont tournés vers l'axe (6) de la roue soient en contact avec les flancs conjugués des nervures (7) du disque (2) qui sont tournés vers l'extérieur. 11. Roue à aubes selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisée par le fait que les sillons (11, 12) en forme de spirale s'enroulent tous dans le même sens autour de l'axe (6) de la roue après assemblage des trois parties constitutives de celle-ci.